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什么是EMCCD？
EMCCD是一种特殊的CCD器件，全称为Electronic Multiplying Charge Coupled Device, 即电子倍增CCD。
EMCCD拥有以下特点
– 独特的片上增益技术
– 高灵敏度
– 全固态结构
– 传统CCD制作工艺
目前生产EMCCD的主要厂商有E2V和德州仪器。
1.2 EMCCD结构与工作过程
EMCCD的工艺结构与普通CCD类似。除了成像区、电荷存储区、移位寄存器之外（普通CCD的组成），它还有倍增寄存器。
原理示意图如下：
图1.1 典型EMCCD芯片读出结构。图像在上半部分的成像区被采集，然后向下转移到器件中的存储区。
EMCCD是一种帧转移CCD，它工作过程一般可以分成五个步骤：
（1） 光敏区曝光，产生光生电荷。
（2） 光敏区的信号电平转移到存储区；
（3） 存储区的电荷按照一行一行的顺序依次转移到读出寄存器；
（4） 读出寄存器中的电荷转移到倍增寄存器，并在其中使电子倍增；
（5） 倍增后的电荷通过低噪声读出放大器转换成电压输出[1,2]。
不同于传统CCD器件，EMCCD不受输出放大器的读出噪声影响，即使是工作在高读出速度下，这是EMCCD的一个重要益处。这是通过在普通串行寄存器末端加入一个固态电子倍增寄存器（EM）实现的。这个寄存器能够在读出噪声加入输出放大器之前，使得微弱的信号得以倍增，从而抑制读出噪声到可以忽略的地步。EM寄存器由上百个stage组成，使用的时钟电压要比转移电荷时钟电压高得多，这样当电荷从一个stage转移到另一个stage中时，冲击离化现象使之产生了二次电子，从而获得了倍增增益。尽管一个电子获得足够能量产生碰撞电离，进而产生额外电子的几率并不大，但是由于读出寄存器有很多元素，所以仍可以得到显著的增益在上百个stage中完成这一步骤之后，结果增益可以通过软件控制在1到上千倍的的幅度里。
在目标照度比较低的情况下，EMCCD工作于倍增模式，信号从倍增读出放大器读出；而当照度足够大时，可以切换到普通模式，信号从普通读出放大器中读出[3,4]。
有两个参数很大程度上决定了检测器的灵敏度——量子效率（quantum efficiency，简称QE）和本底噪声。高的量子效率可以使更多的光子被转化为CCD像素中的光生电子。一旦转化完毕，给定像素中的光生电子必须克服检测CCD的检测极限或是本底噪声，该值由系统本底噪声决定。EMCCD可以拥有卓越的灵敏度，关键在于它能够通过前照和背照传感器最大化量子效率，同时通过降低读出噪声以及使用冷却降低暗电流来抑制本底噪声。
1.3 和其他几种CCD的比较
相对与普通CCD来说，EMCCD拥有无与伦比的灵敏度、信噪比（SNR）和动态范围。几种类型的CCD具体比较表1.1所示
表1.1 几种CCD器件的比较
器件 优点 缺点
CCD 1. 量子效率（QE）高
2. 单元分辨率高 固有噪声电平（读出限制）
ICCD 具有单光子灵敏度 1. 量子效率（QE）限制
2. 串扰
3. 高倍增噪声4. 缺陷
EBCCD 单光子灵敏度 1． 高寄生电荷
2． 量子效率（QE）限制3． 缺陷
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