EMCCD的自动增益与算法实现(4)
3. EMCCD系统结构与工作原理
EMCCD 是一块基于硅的半导体芯片，具有二文矩阵的光电传感器或像素。EMCCD 技术，有时也被称作“片上增益”技术，是一种全新的微弱光信号增强探测技术。而“片上增益”这一功用的实现就是在移位寄存器的后面加了增益寄存器。该寄存器可以使信号在噪声加入前就被倍增到一定的程度，使放大器的读出噪声并不能影响信号的质量，或者说减小对信号的影响。
3.1 EMCCD 的结构
EMCCD 的成像区、存储区和读出寄存器都和传统帧转移 CCD 结构相同，但是在读出寄存器和输出放大器间多出了一串增益寄存器结构[11]（如图 1 所示）。其增益寄存器电荷转移过程如图 2 所示，其中两个电极（Φ1 和Φ3）由标准幅值时钟驱动（约 10V），但另外一个电极Φ2被两个电极Φ2和Φdc所取代。Φ2 加的电压远比仅仅用于转移电荷的电压高很多（约 40-50V），而在Φ2 前的Φd 的偏置是一个小的直流电压（约 2V）。由于巨大的电压差，在Φ2 和Φdc 间产生巨大的电场强度足以使电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”，产生新的电子，即所谓的倍增或者增益。
图1 EMCCD的结构示意图 图2 一个倍增单元的电荷转移
一般要求，倍增寄存器中倍增单元的数目是输出寄存器单元数目的整数倍。这个整数可以是一倍或多倍，以便两者能以同样速率读出，这样才能使设备操作起来与标准行同步。
在图 2 中，似乎只有一种载流子参与倍增过程，其实，在 N 沟道器件中，产生的空穴受到两个电场的作用。沿着表面方向电场的作用，空穴将朝势垒方向运动（-X 轴），而沿 Z 轴方向的电场使空穴向衬底运动。如果 X 轴方向的电场比 Z 轴电场大，空穴留在高电场区域的时间将变长，从而可以再次产生参与下一次电离。然而，为了简化模型，也因为空穴电离率比电子的少 5 到 10 倍，因此我们常常认为倍增过程只由电子引起。[12]
图 3[13]和图 4[14]分别是增益寄存器的剖面图和俯视图。图 4 中 1 和 3 为沟阻，2 为寄存器沟道。