背照式 CCD：提高光灵敏度

当我们说图像传感器是前照式时，我们的意思是它的物理配置类似于我们对典型 IC 的期望：引脚从设备的周边向下延伸到安装端子，即设备的“背面”面向 PCB 表面，器件的“正面”暴露在入射光下。 

大多数 CCD 确实以这种方式工作，但事实证明，可以通过物理修改设备然后安装它以使入射光从另一侧到达来增强性能。用于此类实现的 CCD 称为背照式 CCD。

我们在本系列第 4 部分中看到的下图提醒我们，CCD 是由一层多晶硅栅极（又名电极）构成的，覆盖了移位寄存器和设备的潜在光敏部分。

在全帧和帧转移 CCD中，光活性位点位于电极下方，因此来自 CCD 正面的光必须穿过多晶硅才能产生电荷。这会导致相当严重的问题，我们稍后会看到。

行间传输 CCD 似乎消除了这个问题，因为光电二极管不是移位寄存器的一部分，因此不需要被多晶硅栅极覆盖。然而，在这种情况下，我们用一个限制换取另一个限制：行间转移方法降低了整体灵敏度，因为光敏位点占据了各自像素的相对较小部分。将光聚焦到光电二极管上的微透镜可以减轻但不能消除这种影响。

光感应电荷的产生发生在硅的不同物理深度，具体取决于吸收系数，而吸收系数又是波长的函数。下图表达了这种现象。红色波代表较长波长的光子（例如红光或红外辐射），蓝色波代表较短波长的光子（例如蓝光或紫外线辐射）。 

在前照式系统中，CCD 对光的响应因多晶硅电极的存在而显着改变。首先，电极并不是完全透明的；它们会散射和反射入射光，从而降低整体灵敏度。

此外，电极使得某些波长的检测基本上不可能，因为它们的厚度超过了吸收深度。例如，如果多晶硅层的厚度为 500 nm，则吸收深度小于 500 nm 的 UV 辐射无法在 CCD 中产生任何电响应。

CCD 检测光的能力通过量子效率 (QE) 来体现，它表示实际转化为可用电荷的入射光子的百分比。可以一般光学响应或特定波长的 QE。典型的前照式 CCD 会受到多晶硅栅极的有害影响，在 700 nm 附近的 QE 约为 50%，在可见光谱范围内的平均 QE 可能为 25-30%。  

如果光从器件的另一侧进入，我们就完全绕过了麻烦的多晶硅电极。这提高了整体量子效率，并且在需要对较短波长辐射敏感的应用中特别有利。

配备良好减反射涂层的背照式 CCD 在可见光谱范围内的平均量子效率可以超过 70%。在某些波长下，理论值接近100%，测量值超过90%。下图提供了前照式 QE 和背照式 QE 的总体比较。

正如您可能猜到的，这种性能的提高是有代价的。首先是字面上的价格——背照式传感器的厚度必须显着减小，以确保足够的灵敏度，而这种具有挑战性的制造过程使得设备更加昂贵。

此外，用于减薄 CCD 的程序可能会导致缺陷增加噪声。

如果 CCD 做得很薄，使得较长波长的吸收距离接近设备的厚度，那么我们也有可能会用提高的短波长灵敏度来换取降低的长波长灵敏度。

例如，近红外辐射可能会直接穿过硅基板。需要红外检测的应用可以受益于改进的背面照明形式，其中较厚的基板与偏置电压相结合，以防止光生电荷通过扩散而损失。这些类型的 CCD 传感器在运行过程中被冷却至极低的温度；在正常温度下，暗电流过多。

我们已经介绍了背光照明的特性以及工程师采用该技术的原因。背照式 CCD 不是那种可以放入廉价相机中制作家庭视频的东西，但在需要传感器所能提供的量子效率的高性能系统中，它们值得付出额外的麻烦和费用。