电荷注入检测器(CID),电荷注入检测器原理

电荷注入检测器(CID),电荷注入检测器原理

CID检测器发明于1973年。CID 读出方法是将电荷在检测单元内部移动，检测电压的变化。

第一节        CID的结构

图4.3.1是 CID的一个感光单元。

说明：
poly1,poly2 : 金属栅极。
斜线区 ： N型掺杂硅层 ； 直线区： P型掺杂硅衬底。
比较CCD的MOS电容构成原理，图4.3.1可以看成两个MOS电容，注，图中并没有明确画出SiO2（二氧化硅）绝缘层，在poly1和poly2下都有绝缘层，以与N型掺杂硅层隔离。
在图4.3.1中，第一个MOS电容 C1：poly1和N型硅掺杂层为电极，SiO2为介质。
第二个MOS电容 C2： poly2和N型硅掺杂层为电极，SiO2为介质。
这两个MOS电容C1和C2可以看成串联在一起，设两个MOS电容串联后的等效电容值为C。
C值在CID制成后，电容值可以认为是常数。
根据电容存储的荷 Q = C* V ，通过测量V值，就可以测得感光单元中存储的电荷量。
CCD的检测原理是把光生电荷转移出去再检测，由于电荷转移出去后，MOS电容中不再有电荷，所以叫破坏型读出方式。
CID是在每个检测单元上直接测，测量完毕后，光生电荷仍然存储在MOS电容中（可以参看下面的检测过程），所以叫非破坏型读出方式。

CID 检测光生电荷的过程

注：图4.3.1，图4.3.2，图4.3.3，图4.3.4，图4.3.5来自文献7

说明：
+号：代表光生空穴（还记得CCD的光生电子吗？）。
注：并不是说CID都是光生空穴，CCD都是光生电子。N型掺杂区产生光生空穴，P型掺杂区产生光生电子，就是说跟半导体材料有关。
sense(-) = -5V collection(-) = -7V。 sense(+)和collection(+)都代表正电压，文献中没给出具体电压值。

测量过程：
检测步骤是图4.3.2----> 图4.3.3 ------>图4.3.4----->图4.3.5。
感光单元在光辐射的作用下，在N型掺杂硅层中形成光生空穴（就是正电荷）。图2是电荷积累的过程，poly2接-7V,poly1接-5V电压，所以，空穴在poly2下积累起来。接着，poly1接入放大器输入端，测量零位电压V0,如图4.3.3，然后，poly2切换到collection(+)上，光生空穴转移到poly1下，测得此时的信号电压V1，通过测量V1-V0之差，就可以精确测量光生空穴的数量。信号电压测量后，此时poly1和poly2的位置如图4.3.4，如果此时切换poly1到sense(-),poly1切换到collection(-),光生空穴就又转移到poly2下（从图4.3.4直接到图4.3.2，或者如图4.3.6中C. 2nd voltage sample 到A.integrate），这样，光生空穴可在poly1和poly2之间进行n次反复转移测量（图4.3.2,图4.3.3，图4.3.4的循环），从而将噪声大大降低，改善了信噪比。在图4.3.4的状态下，如果不需要再次测量光生空穴量，那么poly1切换到sense(+), poly2保持在collection(+)位置，则光生空穴转移入P型掺杂硅衬底中，如图4.3.5（或图4.3.6中的D.inject），此时感光单元又恢复了初始状态，可以进入新一轮的光电转换过程。

再附上另一个不错的CID工作原理图

比较一下图4.3.6和图4.3.2、4.3.3、4.3.4、4.3.5，可以发现原理是一样的。

如前面所述， Q = C*V, △V = V1 - V2 , ，所以就能计算出电荷C。
也许会说，是不是只测量V1或V2就能计算出光生电荷量Q呢，我认为是可以的，测量V1和V2的差值可以更精确的计算光生电荷量Q。

 CID工作原理的形象比喻

如图4.3.8 ，在每个4X4的栅格中，都放着一个量筒和一个烧杯。
雨水------ 光辐射
烧杯------ MOS电容
烧杯中雨水------- 积累的光生电荷
量筒 -------- 测量光生电荷

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4.3.9中每个4X4栅格的灰色背景，可以理解为图4.3.2、4.3.3、4.3.4、4.3.5中的P型掺杂硅衬底。
如图4.3.9中的2号栅格，测量光生电荷的过程可以在本格内完成，不需要转移。图4.3.3相当于，将烧杯中的水倒入量筒，如果需要多次测量光生电荷，把量筒中的雨水再倒入烧杯中，如此循环。注意下图4.3.9中的6号栅格，雨水泼洒在灰色地带（P型掺杂硅衬底），就是图4.3.5所说的积累空穴扩散入衬底，或者图4.3.6中的D.inject , 此时烧杯和量筒都空了，又可以接收新的雨水。