背照式 CCD：提高光靈敏度

當(dāng)我們說圖像傳感器是前照式時，我們的意思是它的物理配置類似于我們對典型 IC 的期望：引腳從設(shè)備的周邊向下延伸到安裝端子，即設(shè)備的“背面”面向 PCB 表面，器件的“正面”暴露在入射光下。 

大多數(shù) CCD 確實以這種方式工作，但事實證明，可以通過物理修改設(shè)備然后安裝它以使入射光從另一側(cè)到達(dá)來增強(qiáng)性能。用于此類實現(xiàn)的 CCD 稱為背照式 CCD。

我們在本系列第 4 部分中看到的下圖提醒我們，CCD 是由一層多晶硅柵極（又名電極）構(gòu)成的，覆蓋了移位寄存器和設(shè)備的潛在光敏部分。

在全幀和幀轉(zhuǎn)移 CCD中，光活性位點位于電極下方，因此來自 CCD 正面的光必須穿過多晶硅才能產(chǎn)生電荷。這會導(dǎo)致相當(dāng)嚴(yán)重的問題，我們稍后會看到。

行間傳輸 CCD 似乎消除了這個問題，因為光電二極管不是移位寄存器的一部分，因此不需要被多晶硅柵極覆蓋。然而，在這種情況下，我們用一個限制換取另一個限制：行間轉(zhuǎn)移方法降低了整體靈敏度，因為光敏位點占據(jù)了各自像素的相對較小部分。將光聚焦到光電二極管上的微透鏡可以減輕但不能消除這種影響。

光感應(yīng)電荷的產(chǎn)生發(fā)生在硅的不同物理深度，具體取決于吸收系數(shù)，而吸收系數(shù)又是波長的函數(shù)。下圖表達(dá)了這種現(xiàn)象。紅色波代表較長波長的光子（例如紅光或紅外輻射），藍(lán)色波代表較短波長的光子（例如藍(lán)光或紫外線輻射）。 

在前照式系統(tǒng)中，CCD 對光的響應(yīng)因多晶硅電極的存在而顯著改變。首先，電極并不是完全透明的；它們會散射和反射入射光，從而降低整體靈敏度。

此外，電極使得某些波長的檢測基本上不可能，因為它們的厚度超過了吸收深度。例如，如果多晶硅層的厚度為 500 nm，則吸收深度小于 500 nm 的 UV 輻射無法在 CCD 中產(chǎn)生任何電響應(yīng)。

CCD 檢測光的能力通過量子效率 (QE) 來體現(xiàn)，它表示實際轉(zhuǎn)化為可用電荷的入射光子的百分比?？梢砸话愎鈱W(xué)響應(yīng)或特定波長的 QE。典型的前照式 CCD 會受到多晶硅柵極的有害影響，在 700 nm 附近的 QE 約為 50%，在可見光譜范圍內(nèi)的平均 QE 可能為 25-30%。  

如果光從器件的另一側(cè)進(jìn)入，我們就完全繞過了麻煩的多晶硅電極。這提高了整體量子效率，并且在需要對較短波長輻射敏感的應(yīng)用中特別有利。

配備良好減反射涂層的背照式 CCD 在可見光譜范圍內(nèi)的平均量子效率可以超過 70%。在某些波長下，理論值接近100%，測量值超過90%。下圖提供了前照式 QE 和背照式 QE 的總體比較。

正如您可能猜到的，這種性能的提高是有代價的。首先是字面上的價格——背照式傳感器的厚度必須顯著減小，以確保足夠的靈敏度，而這種具有挑戰(zhàn)性的制造過程使得設(shè)備更加昂貴。

此外，用于減薄 CCD 的程序可能會導(dǎo)致缺陷增加噪聲。

如果 CCD 做得很薄，使得較長波長的吸收距離接近設(shè)備的厚度，那么我們也有可能會用提高的短波長靈敏度來換取降低的長波長靈敏度。

例如，近紅外輻射可能會直接穿過硅基板。需要紅外檢測的應(yīng)用可以受益于改進(jìn)的背面照明形式，其中較厚的基板與偏置電壓相結(jié)合，以防止光生電荷通過擴(kuò)散而損失。這些類型的 CCD 傳感器在運行過程中被冷卻至極低的溫度；在正常溫度下，暗電流過多。

我們已經(jīng)介紹了背光照明的特性以及工程師采用該技術(shù)的原因。背照式 CCD 不是那種可以放入廉價相機(jī)中制作家庭視頻的東西，但在需要傳感器所能提供的量子效率的高性能系統(tǒng)中，它們值得付出額外的麻煩和費用。