【线上讲座之十】：分光光度计的检测器（答疑结束）

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本期讲座的目录：
第四篇 光电检测器
第一章 电荷耦合检测器CCD
第一节 电荷的产生、存储和转移
第二节 CCD的分类和CCD的形象比喻
第二章 CMOS图像传感器
第三章 电荷注入检测器CID
第一节 CID的结构
第二节 CID检测光生电荷的过程
第三节 CID工作原理的形象比喻
第四章 PDA检测器
第五章 multi-anode PMT.


活动时间：
2009年2月25日---3月14日
答疑解惑时间：2009年3月4日---3月14日




说明：
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第一章 电荷耦合检测器Charge-Coupled Devices (CCD)


1970年，美国贝尔(Bell)实验室取得了电荷耦合器件（CCD）的专利。CCD的基本结构是由彼此非常靠近的一系列MOS电容组成的。CCD的基本功能就是电荷的产生、存储和转移。

第一节 电荷的产生、存储和转移

一、电荷的产生


如图4.1.1，在光的照射下，由于光电效应，产生了电荷（这里是电子，在CID讲解中，大家会看到光生空穴；电子是负电荷，空穴可以看成正电荷），随着光的持续照射，电荷越积越多。

二、电荷的存储
CCD的每个感光元件相当于一个电容。产生的电荷就存储在MOS电容中。

如图4.1.2，栅极可以看作电容的一极， 二氧化硅为电容的介质，高掺杂的P型硅为电容的另一 极，想想平行板电容器，这个就好理解了。

三、电荷的转移



图4.1.3中有几个MOS电容呢？比较图4.1.2看看。

有三个黄框框A,B,C（每个黄框框就是图4.1.2中的栅极），就有三个MOS电容。如上面所说“CCD的基本结构是由彼此非常靠近的一系列MOS电容组成的。”
图4.1.3中， 在光辐射的作用下，中间的黄框框下积累了电荷。如果三根绿线上同时施加有合适电压和相位的方波信号(图4.1.4，只是这个波形，实际相位是不同的)，就可以把B黄框下的电荷转移到其他黄框框下，从而实现电荷的转移。



如图4.1.3，在方波信号的驱动下，栅极B下的电荷，转移到栅极C下，然后转变为电压信号，通过模拟/数字信号转换器，变为用0和1表示的数字信号，送到信号处理电路处理。

如果光辐射同时照射A,B,C三个黄框框，那在A,B,C三个黄框框下都积累了电荷，那怎么读取这三处电荷呢？ 显然，可以先把C下的电荷移走，然后B -->C , 再 A --> B --> C，这样要消耗一定的时间，如果你还没能移走A,B,C下的电荷，光能量改变了，那我们这次检测就失败了，所以，有时，我们会觉得CCD转换速度不够快。

假设我们有一个使用CCD作为检测器的分光光度计，这个CCD检测器只有3个感光单元，如果3个感光单元的间距合适，就可以同时记录从光栅色散来的3个波长的光能量。如果我们的CCD的感光单元再多些的话，我们就可以记录更多波长的光能量了。这就是光谱直读的原理。

第一章 电荷耦合检测器Charge-Coupled Devices (CCD)
第二节    CCD的分类和CCD的形象比喻


一、CCD的分类CCD分为线型和面型两类。
以图2.3.1 这样的CCD 结构为例，线型和面型如图2.3.5.

注：上图中的每个黄框代表一个MOS电容即感光单元。

我们上面解释原理的CCD，就是有3个检测单元的线型CCD。
在分光光度计中，由于光栅色散的光谱是线性排列的一个个谱线，只要线性的CCD就够了，而且面型CCD的控制更加复杂，延时时间相应的也更长，所以，在分光光度计中一般都是使用的线型CCD。

二、CCD检测器的“木桶原理”

如图4.1.6中：
木桶 ------- MOS电容（CCD上的感光单元） 。
雨滴 ------- 每一个雨滴可以理解为光辐射的一个光子。
木桶中的雨水量 ---- MOS电容中存储的电荷。
量筒 ------ 相当于图4.1.3中的信号处理电路。
输出传送带 ----- 可以理解为图4.1.3中的电荷转换电路和模数转换电路。
1，2，3编号 ----- 水平传送带的编号。
1，2，3号传送带的驱动力 ------ 相当于图4.1.3中绿线上施加的方波信号。

想像一个场景： 假如1，2，3号传送带上的12个木桶每个占据我们一个省份，今天我们全国下了一场大雨，一个个木桶中都存了不少的雨水。为了分析这12个省份的降水量分布图，我们通过驱动1，2，3号传送带把1，2，3号传送带上最右边的3个木桶移到输出传动带上，然后停止驱动1，2，3号传动带。如图4.1.6，输出传送带上已传好了3个木桶，接下来，我们驱动输出传送带，并使3个木桶中的水逐个倒入量筒中，并记录下来。然后，再驱动1，2，3号上移到最右边的3个木桶，使它们到输出传动带上。如此循环我们就可以量取这12个木桶中的雨量，12个省份的雨水分布图就一目了然。
显然，什么时候驱动（方波信号的有无）1，2，3号传动带和输出传动带，和驱动它们的顺序（方波信号的相位）是有要求的，不然木桶就要打架了。这就是上面所说，驱动三根绿线的方波信号，要有合适的电压和相位。

第二章    CMOS图像传感器

CMOS图像传感器和CCD传感器，工作原理类似。用图4.1.3来说明，CMOS图像传感器并不像CCD那样把光生电荷移至电荷电压变化器，而是直接检测每个感光单元下的电荷。对CMOS来说，可以理解为将图4.1.3中的电荷电压转换电路集成到了每个MOS 电容上（这个说法可能不是很准确，由于在分析仪器中CMOS用的比较少，所以没有详细查资料，大家可以讨论下）。
与CMOS图像传感器相比，CCD具有优良的动态范围、较小的背景噪声和较高的光灵敏度。不过，CMOS传感器对功率的要求比CCD要低很多，而且CMOS传感器的成本比CCD的低。在一些不要求高分辨率和低背景噪声的场合，CMOS用的比较多，像现在的中、低端手机的摄像头，基本都采用的是CMOS图像传感器。分析仪器、天文观测仪器、高档数码相机一般都是采用的CCD图像传感器。

第三章 电荷注入检测器CID(charge injection device)


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。

第二节    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。

第三节    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



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。

第四章 PDA(Photodiode Array )检测器

PDA上的每个感光单元可以看成一个光电二极管。

PDA的原理示意如图4.4.1





图4.4.3是SCINCO 公司的S3100 PDA光度计的光路图。


图4.4.4是S3100 的特殊的光路设计示意图，使的环境光的影响达到最小，从而可以打开样品室盖工作。

第五章 multi-anode PMT

众所周知，PMT（光电倍增管）的优点是频谱响应范围宽，灵敏度高，响应速度快（纳秒级），但是PMT不能提供同时记录全谱。这里介绍一种多阳极PMT,可用于全镨直读--------日本浜松(HAMAMATSU)公司的multi-anode PMT。

一。multi-anode PMT介绍

HAMAMATSU公司的multi-anode PMT产品如图4.5.1.




注：图4.5.2中的灰色弧线代表电子。可以看到灰色弧线越来越密-----倍增效应。
比较下图4.5.2和图4.5.1中右边那个放大图，可以看出，multi-anode PMT可以看成多个PMT集成在一个封装里。每个阳极都外连一个输出脚。图4.5.1是32个阳极的multi-anode PMT。

二、multi-anode PMT的工作原理

multi-anode PMT的电子倍增原理和传统的PMT是一样的，就不多说了。

图4.5.1中的multi-anode PMT可以看成32个微型PMT线性排列而成。经光栅色散的匀排光谱同时照射到32个PMT上，从而实现了全镨直读。
顺便补充一下，线型排列的固态成像器件，比如线型CCD，PDA, 和这个32-anode PMT，都是只能检测 x轴方向的光子分布，不能提供沿y轴的光子分布。
不过，也有面型分布的multi-anode PMT，可以提供光子沿x,y方向的分布信息。有一种64-anode PMT产品，阳极是8x8矩阵排列， 它的入射光窗是1.8cmx1.8cm，可以提供比较粗糙的二维光强分布信息。
另外，这种32-anode PMT,各个阳极的灵敏度是不同的，这主要是因为各阳极对应的阴极和倍增极的灵敏度不同。而且各个相邻的阳极之间也会产生干扰。


三、32-anode PMT的一些应用



图4.5.3中，示意了32-anode PMT 的3种应用。
Config.1 : 测试不同方向的散射光的能量分布。
Config.2 : 全谱直读方式。
Config.3 : 可以获得三维光谱图（时间--波长---光强）