電荷注入檢測器(CID),電荷注入檢測器原理

CID檢測器發(fā)明于1973年。CID 讀出方法是將電荷在檢測單元內(nèi)部移動(dòng)，檢測電壓的變化。

第一節(jié)????????CID的結(jié)構(gòu)

圖4.3.1是 CID的一個(gè)感光單元。

說明：
poly1,poly2 : 金屬柵極。
斜線區(qū) ： N型摻雜硅層 ； 直線區(qū)： P型摻雜硅襯底。
比較CCD的MOS電容構(gòu)成原理，圖4.3.1可以看成兩個(gè)MOS電容，注，圖中并沒有明確畫出SiO2（二氧化硅）絕緣層，在poly1和poly2下都有絕緣層，以與N型摻雜硅層隔離。
在圖4.3.1中，第一個(gè)MOS電容 C1：poly1和N型硅摻雜層為電極，SiO2為介質(zhì)。
第二個(gè)MOS電容 C2： poly2和N型硅摻雜層為電極，SiO2為介質(zhì)。
這兩個(gè)MOS電容C1和C2可以看成串聯(lián)在一起，設(shè)兩個(gè)MOS電容串聯(lián)后的等效電容值為C。
C值在CID制成后，電容值可以認(rèn)為是常數(shù)。
根據(jù)電容存儲(chǔ)的荷 Q = C* V ，通過測量V值，就可以測得感光單元中存儲(chǔ)的電荷量。
CCD的檢測原理是把光生電荷轉(zhuǎn)移出去再檢測，由于電荷轉(zhuǎn)移出去后，MOS電容中不再有電荷，所以叫破壞型讀出方式。
CID是在每個(gè)檢測單元上直接測，測量完畢后，光生電荷仍然存儲(chǔ)在MOS電容中（可以參看下面的檢測過程），所以叫非破壞型讀出方式。

CID 檢測光生電荷的過程

注：圖4.3.1，圖4.3.2，圖4.3.3，圖4.3.4，圖4.3.5來自文獻(xiàn)7

說明：
+號(hào)：代表光生空穴（還記得CCD的光生電子嗎？）。
注：并不是說CID都是光生空穴，CCD都是光生電子。N型摻雜區(qū)產(chǎn)生光生空穴，P型摻雜區(qū)產(chǎn)生光生電子，就是說跟半導(dǎo)體材料有關(guān)。
sense(-) = -5V collection(-) = -7V。 sense(+)和collection(+)都代表正電壓，文獻(xiàn)中沒給出具體電壓值。

測量過程：
檢測步驟是圖4.3.2----> 圖4.3.3 ------>圖4.3.4----->圖4.3.5。
感光單元在光輻射的作用下，在N型摻雜硅層中形成光生空穴（就是正電荷）。圖2是電荷積累的過程，poly2接-7V,poly1接-5V電壓，所以，空穴在poly2下積累起來。接著，poly1接入放大器輸入端，測量零位電壓V0,如圖4.3.3，然后，poly2切換到collection(+)上，光生空穴轉(zhuǎn)移到poly1下，測得此時(shí)的信號(hào)電壓V1，通過測量V1-V0之差，就可以精確測量光生空穴的數(shù)量。信號(hào)電壓測量后，此時(shí)poly1和poly2的位置如圖4.3.4，如果此時(shí)切換poly1到sense(-),poly1切換到collection(-),光生空穴就又轉(zhuǎn)移到poly2下（從圖4.3.4直接到圖4.3.2，或者如圖4.3.6中C. 2nd voltage sample 到A.integrate），這樣，光生空穴可在poly1和poly2之間進(jìn)行n次反復(fù)轉(zhuǎn)移測量（圖4.3.2,圖4.3.3，圖4.3.4的循環(huán)），從而將噪聲大大降低，改善了信噪比。在圖4.3.4的狀態(tài)下，如果不需要再次測量光生空穴量，那么poly1切換到sense(+), poly2保持在collection(+)位置，則光生空穴轉(zhuǎn)移入P型摻雜硅襯底中，如圖4.3.5（或圖4.3.6中的D.inject），此時(shí)感光單元又恢復(fù)了初始狀態(tài)，可以進(jìn)入新一輪的光電轉(zhuǎn)換過程。

再附上另一個(gè)不錯(cuò)的CID工作原理圖

比較一下圖4.3.6和圖4.3.2、4.3.3、4.3.4、4.3.5，可以發(fā)現(xiàn)原理是一樣的。

如前面所述， Q = C*V, △V = V1 - V2 , ，所以就能計(jì)算出電荷C。
也許會(huì)說，是不是只測量V1或V2就能計(jì)算出光生電荷量Q呢，我認(rèn)為是可以的，測量V1和V2的差值可以更精確的計(jì)算光生電荷量Q。

?CID工作原理的形象比喻

如圖4.3.8 ，在每個(gè)4X4的柵格中，都放著一個(gè)量筒和一個(gè)燒杯。
雨水------ 光輻射
燒杯------ MOS電容
燒杯中雨水------- 積累的光生電荷
量筒 -------- 測量光生電荷

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4.3.9中每個(gè)4X4柵格的灰色背景，可以理解為圖4.3.2、4.3.3、4.3.4、4.3.5中的P型摻雜硅襯底。
如圖4.3.9中的2號(hào)柵格，測量光生電荷的過程可以在本格內(nèi)完成，不需要轉(zhuǎn)移。圖4.3.3相當(dāng)于，將燒杯中的水倒入量筒，如果需要多次測量光生電荷，把量筒中的雨水再倒入燒杯中，如此循環(huán)。注意下圖4.3.9中的6號(hào)柵格，雨水潑灑在灰色地帶（P型摻雜硅襯底），就是圖4.3.5所說的積累空穴擴(kuò)散入襯底，或者圖4.3.6中的D.inject , 此時(shí)燒杯和量筒都空了，又可以接收新的雨水。