Scientific Charge-Coupled Devices

Click here to load reader

  • date post

    28-Nov-2016
  • Category

    Documents

  • view

    78
  • download

    3

Embed Size (px)

Transcript of Scientific Charge-Coupled Devices

  • Scientifi cCharge-Coupled Devices

  • S P I E P R E S SA Publication of SPIEThe International Society for Optical Engineering

    Bellingham, Washington USA

    James R. JanesickEditor

    Scientifi cCharge-Coupled Devices

  • Library of Congress Cataloging-in-Publication Data

    Janesick, James R. Scientific charge-coupled devices / James R. Janesick. p. cm. (SPIE Press monograph ; PM83)Includes bibliographical references and index.ISBN 0-8194-3698-4 1. Charge coupled devices. I. Title. II. Series.

    TK7871.99.C45 J36 2000 621.36'7dc21 00-036616

    CIP

    Published by

    SPIEThe International Society for Optical EngineeringP.O. Box 10Bellingham, Washington 98227-0010Phone: 360/676-3290Fax: 360/647-1445Email: spie@spie.orgWWW: www.spie.org

    Copyright 2001 The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers

    All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or distributedin any form or by any means without written permission of the publisher.

    Printed in the United States of America.

  • To the Universe.

  • ContentsPreface xiii

    1 History, Operation, Performance, Design, Fabrication and Theory . 3

    1.1 Scientific CCD History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Operation and Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    1.2.1 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2.2 Performance Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2.3 Performance Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    1.3 Architecture, Design, Photolitography and Fabrication . . . . . . . 371.3.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.3.2 Design and Photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . 421.3.3 Processing and Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    1.4 CCD Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.4.1 MOS Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.4.2 Surface-Channel Potential Well . . . . . . . . . . . . . . . 651.4.3 Buried-Channel Potential Well . . . . . . . . . . . . . . . 70

    References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    2 CCD Transfer Curves and Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    2.1 CCD Transfer Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952.1.1 CCD Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952.1.2 CCD Camera Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . 962.1.3 CCD Camera Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    2.2 Photon Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972.2.1 Photon Transfer Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . 982.2.2 Photon Transfer Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.2.3 Camera Gain Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1052.2.4 Camera Gain Histogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082.2.5 Camera Gain Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.2.6 Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1132.2.7 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172.2.8 Flat-Field Signal-to-Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.2.9 Contrast Signal-to-Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

    vii

  • viii CONTENTS

    2.2.10 High-Speed Photon Transfer Generation . . . . . . . . . . 1252.2.11 Photon Transfer Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

    2.3 X-Ray Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312.3.1 X-ray Characteristics and Use . . . . . . . . . . . . . . . . 1312.3.2 Fe55 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1322.3.3 X-ray Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392.3.4 X-ray Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1412.3.5 X-ray Histograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1432.3.6 Fano-Noise-Limited Performance . . . . . . . . . . . . . . 1472.3.7 Cadmium X Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

    2.4 QE Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512.5 CCD Clock and Bias Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

    2.5.1 Clock and Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1562.5.2 Set-point Transfer Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

    References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

    3 Charge Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

    3.1 Charge Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1673.2 QE Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

    3.2.1 Backside Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1703.2.2 Frontside Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1733.2.3 Miscellaneous QE Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1743.2.4 Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

    3.3 Frontside Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.3.1 Phosphor Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.3.2 Virtual Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1833.3.3 Open Pinned Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1883.3.4 Thin Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1903.3.5 Transparent Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1943.3.6 Poly Hole Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

    3.4 Backside Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1953.4.1 Thinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1953.4.2 Quantum Efficiency Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . 1963.4.3 Accumulation and QE Pinning . . . . . . . . . . . . . . . 1993.4.4 Self-Accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2013.4.5 Accumulation Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2143.4.6 Passive Accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2273.4.7 Active accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2563.4.8 Antireflection coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

    References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

  • CONTENTS ix

    4 Charge Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

    4.1 Charge Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2734.2 Well Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

    4.2.1 Bloomed Full Well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2754.2.2 Surface Full Well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2774.2.3 Optimum Full Well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2774.2.4 Clocking Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2804.2.5 Full Well Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2804.2.6 Full Well Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2834.2.7 Self-induced Emission and Thermionic Emission . . . . . 2894.2.8 Clocked Antiblooming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2934.2.9 Antiblooming Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3004.2.10 High-Speed Erasure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3054.2.11 Window Clocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3104.2.12 Multipinned Phase (MPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

    4.3 Fixed-pattern Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3184.3.1 Pixel Nonuniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3184.3.2 Flat Fielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3214.3.3 Fixed-pattern Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

    4.4 Charge Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3324.4.1 Charge Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3324.4.2 Measurement and Modeling Techniques . . . . . . . . . . 3384.4.3 Aliasing and Beating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

    References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

    5 Charge Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

    5.1 Charge Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3875.2 Transfer Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

    5.2.1 Diffusion Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3935.2.2 Self-induced Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3955.2.3 Fringing Field Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3965.2.4 High-Speed Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4005.2.5 Clock Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4055.2.6 Substrate Bounce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

    5.3 CTE Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4185.3.1 X-ray Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4185.3.2 Extended Pixel Edge Response (EPER) . . . . . . . . . . 4235.3.3 First Pixel Edge Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4295.3.4 Pocket Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4305.3.5 Charge Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

    5.4 Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4335.4.1 Design Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4345.4.2 Process traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

  • x CONTENTS

    5.4.3 Bulk Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4535.4.4 Radiation-induced Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4665.4.5 Proportional and Fixed Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . 4665.4.6 Fat-zero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4695.4.7 Notch Channel CCD . . . .