Tài liệu tham khảo: Ánh sáng và Năng lượng

Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử: Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện Một trong những ứng dụng thông dụng nhất của hiệu ứng quang điện là trong các dụng cụ dùng để phát hiện photon mang thông tin về hình ảnh trong camera, kính hiển vi, kính thiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác. Với sự phát triển của công nghệ ghi ảnh kĩ thuật số, sự tiến bộ nhanh chóng đã xuất hiện trong công nghệ dùng để chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện có ý nghĩa....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tài liệu tham khảo: Ánh sáng và Năng lượng Ánh sáng và Năng lượng Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử:Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện Một trong những ứng dụng thông dụng nhất của hiệu ứng quang điện làtrong các dụng cụ dùng để phát hiện photon mang thông tin về hình ảnh trongcamera, kính hiển vi, kính thiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác. Với sự pháttriển của công nghệ ghi ảnh kĩ thuật số, sự tiến bộ nhanh chóng đã xuất hiện trongcông nghệ dùng để chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện có ý nghĩa. Một vàiloại detector ánh sáng đang được sử dụng phổ biến. Một số thu nhận các tín hiệucó thông tin hình ảnh mà không phân biệt không gian, còn một số khác là nhữngdetector cục bộ bắt lấy hình ảnh trực tiếp hơn với thông tin không gian và cườngđộ kết hợp. Các detector ánh sáng dựa trên hiệu ứng quang điện gồm các ống nhânquang, các diode quang thác, dụng cụ tích điện kép, bộ phận khuếch đại hình ảnh,và các bộ cảm biến quang bán dẫn oxide kim loại bổ chính (CMOS). Trong số này,dụng cụ tích điện kép được dùng rộng rãi nhất cho công việc ghi ảnh và phát hiện,và do đó được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên tắc hoạt động của nó cũng là cơ sởcho nhiệm vụ của các loại detector khác. Dụng cụ tích điện kép (CCD) là mạch tích hợp trên nền silicon gồm một matrận, hay một dãy, dày đặc các diode quang hoạt động bằng cách chuyển hóa nănglượng ánh sáng dưới dạng photon thành điện tích. Mỗi diode quang trong dãy hoạtđộng theo nguyên tắc tương tự như tế bào quang điện trong, nhưng trong CCD, cácelectron phát ra bởi tương tác của photon với nguyên tử silicon được lưu trữ trongmột giếng thế và sau đó có thể truyền qua chip, qua thanh ghi, rồi đi ra ngoài tới bộphận khuếch đại. Hình 7 minh họa cấu trúc của một CCD điển hình. CCD được phát minh vào cuối thập niên 1960 bởi nhà khoa học nghiên cứutại Phòng thí nghiệm Bell, người lúc đầu mang ý tưởng về một loại mạch điện nhớmới dùng cho máy tính. Những nghiên cứu sau đó cho thấy rằng dụng cụ đó, vì khảnăng truyền điện tích của nó và phản ứng điện của nó với ánh sáng, cũng sẽ có íchcho những ứng dụng khác như xử lí tín hiệu và ghi ảnh. Niềm hi vọng ban đầu vềmột dụng cụ nhớ mới hoàn toàn tan biến, nhưng CCD nổi lên là một trong nhữngứng cử viên hàng đầu cho các detector ghi ảnh điện tử dùng cho mọi mục đích, cókhả năng thay thế phim trong lĩnh vực ghi ảnh kĩ thuật số, cả cho mục đích phổdụng lẫn trong các lĩnh vực chuyên môn như kĩ thuật chụp ảnh hiển vi kĩ thuật số. Chế tạo trên chất nền silicon giống hệt như các mạch tích hợp khác, CCDđược xử lí trong một chuỗi in ảnh litô phức tạp gồm khắc acid, cấy ion, lắng màngmỏng, kim loại hóa và thụ động hóa để vạch rõ các nhiệm vụ khác nhau bên trongdụng cụ. Chất nền silicon được pha tạp điện hình thành silicon loại p, một chấttrong đó hạt mang điện chủ yếu là các lỗ trống tích điện dương. Khi một photon tửngoại, khả kiến, hoặc hồng ngoại va chạm với một nguyên tử silicon nằm tronghoặc gần diode quang CCD, nó sẽ luôn tạo ra một electron tự do và một “lỗ trống”gây ra bởi sự vắng mặt tạm thời của electron trong mạng tinh thể silicon. Electrontự do sau đó được gom vào một giếng thế (nằm sâu bên trong silicon, trong mộtkhu vực gọi là lớp suy vong), còn lỗ trống buộc phải rời khỏi giếng và cuối cùng bịchiếm chỗ trong chất nền silicon. Từng diode quang cách điện với các láng giềngcủa chúng bằng một rãnh dừng, hình thành bằng cách cho khuếch tán các ionboron qua một mặt lọc vào chất nền silicon loại p. Đặc điểm kiến trúc chủ yếu của CCD là một dãy lớn chuỗi thanh ghi lệch chếtạo có lớp polysilicon pha tạp dẫn điện xếp theo chiều thẳng đứng phân tách vớichất nền bán dẫn silicon bằng một màng mỏng cách điện silicon dioxide. Sau khielectron được thu gom vào mỗi diode quang của dãy, một điện thế được áp vào lớpđiện cực polysilicon (gọi là các cổng) làm thay đổi thế tĩnh điện của silion nằm bêndưới. Chất nền silicon nằm ngay dưới điện cực cổng khi đó trở thành một giếng thếcó khả năng thu gom các electron phát ra cục bộ do ánh sáng tới gây ra. Các cổnglân cận giúp giam giữ electron trong giếng thế bằng cách hình thành vùng thế cao,gọi là hàng rào thế, bao quanh giếng. Bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế đặt vàocổng polysilicon, chúng có thể có xu hướng hoặc là hình thành một giếng thế, hoặclà hàng rào thế để điện tích tích hợp được thu thập bởi diode quang. Sau khi được rọi sáng bằng photon tới trong thời kì gọi là sự tích hợp, giếngthế trong dãy diode quang CCD trở nên đầy electron tạo ra trong lớp suy vong củachất nền silicon. Điện tích trữ trong mỗi giếng phải được đọc lại theo một phươngpháp có hệ thống. Những phép đo điện tích lưu trữ này được hoàn thành bằng sựkết hợp di chuyển chuỗi và song song của điện tích tích góp đến một nút ra tại rìachíp, nơi nó kết nối với bộ khuếch đại ngoài. Tốc độ truyền điện tích song songthường đủ để hoàn thành trong thời gian tích hợp điện tích cho hình ản ...