Image degradation effects in time-delay integration CCDs

In recent years, the interest in sophisticated optical image sensors for earth observation increased as a result of an increasing number of applications and addressable markets. However, due to the relative motion between the satellite and the earth, these sensors suffer, in general, from a short integration time per pixel, causing a limitation of the signal-to-noise ratio (SNR). To overcome these disadvantages, sensors with a special architecture have been designed which enable the accumulation of photogenerated electrons from multiple exposures without additional noise. Sensors accomplishing these requirements are time-delay integration (TDI) charge-coupled devices (CCDs), which have gained increased interest due to their capability of detecting fast-moving objects at low-light levels while maintaining a high signal-to-noise ratio. This work is concerned with the analysis of degradation mechanisms resulting from the TDI mode operation and the impact of continuous charge accumulation on the image quality. At first, charge blooming originating from deactivated TDI stages is investigated. An anti-blooming clocking mechanism is deployed, and the impact of charge blooming on the sensor characteristics is shown experimentally. A method to identify blooming in TDI CCDs is presented. Further, two degradation effects resulting from the loss of charge carriers are thematized. For the degradation due to the falling edge of the applied clock, a one-dimensional analytical model, which describes the spatial-temporal behavior of the charge carrier density in a potential well, is derived. This solution results in an analytical expression for the temporal dependence of the total number of charge carriers containing all crucial sensor design parameters. This enables the investigation of the charge transfer efficiency (CTE) and the modulation transfer function (MTF), and the discussion of optimized design parameters. Subsequently, the impact of defect states at the Si/SiO2 interface is analyzed. The iii continuous charge accumulation in a buried-channel TDI CCD causes the charge packets to approach the interface and interact with the defect states. Simulations of the charge transfer efficiency in dependence on the number of charge carriers are analyzed, and a model for determining the CTE for a TDI CCD is presented. Measurements are performed to prove these findings. A simple experimental method to determine the CTE is introduced.

In den vergangenen Jahren ist das Interesse an hoch entwickelten optischen Bildsensoren für die Erdbeobachtung aufgrund einer wachsenden Anzahl von Anwendungen und potenzieller Märkte gewachsen. Diese Sensoren leiden jedoch im Allgemeinen, aufgrund der relativen Bewegung zwischen dem Satelliten und der Erde, unter einer kurzen Integrationszeit pro Pixel und beschränken so das Signal-Rausch Verhältnis. Um diese Nachteile zu überwinden, wurden Sensoren mit einer speziellen Architektur entwickelt, welche die Akkumulation von photogenerierten Elektronen aus Mehrfachbelichtungen ohne zusätzliches Rauschen ermöglichen. Sensoren, die diese Anforderungen erfüllen können, sind time-delay integration (TDI) CCDs. Diese Sensoren haben die Fähigkeit, sich schnell bewegende Objekte bei Lichtarmen Verhältnissen zu detektieren, während gleichzeitig ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis beibehalten wird. Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse von Degradationsmechanismen, welche aus dem TDI Betriebsmodus und durch den Einfluss der kontinuierlichen Ladungsakkumulation resultieren und die Bildqualität beeinflussen. Zunächst wird Blooming von Ladungenträgern, welches aus deaktiven TDI Stufen herrührt, untersucht. Ein Anti-Blooming Mechanismus wird implementiert und der Einfluss von Blooming auf die Sensoreigenschaften wird experimentell gezeigt. Eine Methode um Blooming in TDI CCDs zu identifizieren wird präsentiert. Des Weiteren werden die Degradationseffekte, welche aus dem Verlust von Ladungsträgern resultieren, thematisiert. Für die Degradation durch eine fallenden Takt-Flanke der angelegten Clock wird ein ein-dimensionales analytisches Model, welches das räumliche und zeitliche Verhalten der Ladungsträgerdichte in einem Potentialtopf beschreibt, hergeleitet. Aus dieser Lösung ergibt sich ein analytischer Ausdruck für die zeitliche Abhängigkeit der Gesamtzahl der Ladungsträger, welcher alle wichtigen Design-Parameter beinhaltet. Das ermöglicht die Untersuchung der Ladungstransfereffizienz und der Modulationtransferfunktion, und eine Diskussion über optimale Design-Parameter. Anschließend wird der Einfluss von Defektzuständen an der Si/SiO2-Grenzfläche analysiert. Die kontinuierliche Ladungsakkumulation einer TDI CCD führt dazu, dass sich die Ladungspakete der Grenzfläche annähern und folglich mit den Defektzuständen wechselwirken. Simulationen der Ladungstransfereffizienz in Abhängigkeit der Ladungsträgerzahl werden analysiert und ein Model zur Ermittlung der Ladungstransfereffizienz in einer TDI CCD wird präsentiert. Messungen werden durchgeführt um die Simulationsergebnisse zu bestätigen. Eine einfache experimentelle Methode, für die Bestimmung der Ladungstransfereffizienz, wird vorgestellt. Die Simulationen und experimentellen Ergebnisse werden mit den theoretischen Grundlagen verifiziert und eine Methode zur identifizierung der Wechselwirkung von Ladungsträgern mit der Grenzfläche wird gezeigt