電荷耦合器件

1、7.3固體攝像器件7.3.1電荷耦合器件1.電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)與工作原理電荷耦合器件以電荷作為信號載體的半導(dǎo)體光電器件，簡稱CCD。CCD的分類：表面溝道電荷耦合器件（SCCD）信號電荷存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?。體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件（BCCD）信號電荷存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)部沿一定方向傳輸。CCD的基本單元：一個由金屬-氧化物-半導(dǎo)體組成的電容器（簡稱MOS結(jié)構(gòu)）。CCD線陣：由多個像素（一個MOS單元稱為一個像素）組成。t+.r+f-?-匕/”電.P型醞I間I，隹siCCD級蟀圖7-25CCD的單元與線陣結(jié)構(gòu)示意圖MOS電容器的電學(xué)特性：柵

2、極未加電壓時一一P型Si內(nèi)的多數(shù)載流子（空穴）均勻分布。柵極施加正電壓Ug后一一在半導(dǎo)體上表面附近形成一層多子的耗盡區(qū)（勢阱）電壓UG超過閾值電壓Uth時一一形成反型層（溝道）。何楷極東加電里時,空玄均勾辦毋反制層F時，形成怔整層圖7-26CCD柵極電壓Ug的變化對P型Si耗盡區(qū)的影響電荷包的存儲：CCD單元能夠存儲電荷包、其存儲能力可通過調(diào)節(jié)Ug而加以控制。is-p-1:二二收縮后的表面努E二二二L原來的技面轡bi電荷但填充1勢Bf圖7-27注入電荷包時，勢阱深度隨之變化的示意圖每個金屬柵極下的勢阱中能夠存儲的最大（信息）電荷量為:CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移：將電荷包從一個（因存儲了這些電荷而變淺

3、的）勢阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢阱。三相CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移過程：開始時刻電荷包存儲在柵極電壓為10V的第1個柵極下的深勢阱里，其他柵極上加有大于閾值的低電壓（2V）;經(jīng)時間ti后，第1個柵極電壓仍保持為10V,而第2個柵極的電壓由2V-10V;柵極靠得很近的兩個勢阱發(fā)生耦合，使原來在第1個勢阱中的電荷包被耦合勢阱日拿在t2時刻，第1個柵極的電壓由10V-2V、第2個柵極的電壓仍為10V,勢阱1收縮，電荷包流入勢阱2中。據(jù)開帕?xí)r期，電莆但處F深勢阱中2IOV2VHft2新勢阱曲歷時期,橙楹2的電壓升高,忙”時刎，期判臉也曲色槌共律2VI0V1-2VI0V3V也荷在停辦時刻.極1的電述降,密阱收縮時則儲,

4、電荷也由勢阱1一？0L4山淖網(wǎng)曾杯沖電荷包的注入方式:圖7-28三相CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移過程示意圖光注入一一光束直接照射P型Si-CCD襯底，分為正面照射與背面照射兩種。電注入一一當(dāng)CCCffi于信息存儲或信息處理時，通過輸入端的輸入二極管和輸入柵極，把與信號成正比的電荷注入到相應(yīng)的勢阱中。電流輸出方式：如圖7-31所示。當(dāng)電荷包在驅(qū)動脈沖的作用下向右轉(zhuǎn)移到最末一個轉(zhuǎn)移柵極CR2下的勢阱中后，若CR2電極上的電壓由高變低，則勢阱收縮，電荷包通過柵極OG下面的溝道進入N+區(qū)。N+區(qū)對電子來說相當(dāng)于一個深勢阱，進入N+區(qū)后的電荷包將被迅速拉走而產(chǎn)生電流Id。因此A點的電位Ua（=UD-IdR）發(fā)生

5、變化。進入二極管的電量Qs越大，Id越大，Ua下降越厲害。利用Ua的變化來檢測Qs。隔直電容C將Ua的變化量取出，并通過場效應(yīng)放大器的OS端輸出。CCD工作過程概述：先將半導(dǎo)體產(chǎn)生的（與照度分布相對應(yīng)）信號電荷注入到勢阱中，再通過內(nèi)部驅(qū)動脈沖控制勢阱的深淺，輸出電路形成一維時序信號。日鳥_TL摘出.信號1放大器%圖7-31電流輸出方式電路圖使信號電荷沿溝道朝一定的方向轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)2.CCD的主要特性參數(shù)電荷轉(zhuǎn)移效率一次轉(zhuǎn)移后到達下一個勢阱中的電荷量與原來勢阱中的電荷量之比。Qi電荷轉(zhuǎn)移損失率Q0-Qi二1一Qo轉(zhuǎn)移效率”是電荷耦合器件能否實用的重要因素。暗電流：CCD在無光注入也無電注入情況下

6、的輸出信號。暗電流的主要來源：半導(dǎo)體襯底的熱激發(fā)；耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生-復(fù)合中心的熱激發(fā)（此為主要原因）；耗盡區(qū)邊緣的少數(shù)載流子的熱擴散；SiO2/Si界面處的產(chǎn)生-復(fù)合中心的熱激發(fā)。靈敏度：投射在光敏像元上的單位輻射功率所產(chǎn)生的輸出信號電壓或電流。(7-10)(7-12)平均量子效率：在整個波長范圍內(nèi)的靈敏度。光譜響應(yīng)：CCD光譜響應(yīng)與光敏面結(jié)構(gòu)、光束入射角及各層介質(zhì)的折射率、厚度、消光系數(shù)等多個因素有關(guān)。光電特性：輸出電壓與輸入照度之間的關(guān)系。對于Si-CCD,在低照度下，其輸出電壓與輸入照度有良好的線性關(guān)系；而當(dāng)輸入照度超過100lx以后，輸出有飽和現(xiàn)象。CCD的噪聲：主要包括散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪

7、聲和熱噪聲。分辨率：實際中，CCD器件的分辨率一般用像素數(shù)表示，像素越多，則分辨率越高。極限分辨率：空間采樣頻率的一半。調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）:取決于器件結(jié)構(gòu)（像素寬度、間距）所決定的幾何MTF1、光生載流子橫向擴散衰減決定的MTFd和轉(zhuǎn)移效率決定2010(?-三.包器M圖7-32四種不同CCD的光譜響應(yīng)特征曲線前照式單層多晶硅；減薄背照式；前照式虛相結(jié)構(gòu)；前照式多晶硅/透明金屬氧化物型的MTFt,總的MTF是三項的乘積。CCD總的MTF隨圖像中各成分空間頻率的提高而下降。三相CCD工作頻率的下限：fmin=3c三相CCD工作頻率的上限:f_1max1-3gCCD器件的動態(tài)范圍：勢阱中可以存儲

8、的最大電荷量（或輸出的飽和電壓（無光信號）情況下的噪聲峰-峰值電壓Up-p之比。動態(tài)范圍表征照度范圍。增大動態(tài)范圍的途徑是降低暗電流，特別是控制暗電流尖峰。（7-13）（7-14）Usat）與暗場CCD器件能夠正常工作的3.電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件一類可將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時序電信號的功能器件，由光電探測器陣列和CCD移位寄存器兩個功能部分組成，簡稱為CCD。可分為線陣和面陣兩大類型。圖7-33三相單溝道線陣CCD攝像器件的結(jié)構(gòu)陣CCD減少半，轉(zhuǎn)移時間縮短一半，總轉(zhuǎn)移效率大大提高。A淡出宙存器式時鐘脈沖CC移位寄#UA輯稱懵A光皺二極管陣則轉(zhuǎn)林棚H卜CCD瞽寄用耦H單元喝離心摘出B

9、單溝道線陣CCD結(jié)構(gòu)：由行掃描電壓中p、光敏二極管陣列、轉(zhuǎn)移柵x、三相CCD移位寄存器、（1、中2、3）驅(qū)動脈沖和輸出機構(gòu)等構(gòu)成。單溝道線陣CCD工作原理：在光積分時間內(nèi)，行掃描電壓中p為高電平、轉(zhuǎn)移柵x為低電平，光敏二極管陣列被反偏置、并與CCD移位寄存器彼此隔離，在光輻射的作用下產(chǎn)生信號電荷并存儲在光敏元的勢阱中，形成與入射光學(xué)圖像相對應(yīng)的電荷包的“潛像”。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵中x為高電平時，光敏陣列與移位寄存器溝通，光敏區(qū)積累的信號電荷包通過轉(zhuǎn)移柵中x并行地流入CCD移位寄存器中。在光積分時間內(nèi)，已流入CCD移位寄存器中的信號電荷在三相驅(qū)動脈沖的作用下，按其在CCD中的空間排列順序，通過輸出機構(gòu)串行

10、地轉(zhuǎn)移出去，形成一維時序電信號。單溝道線陣CCD特點及應(yīng)用：單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)多、轉(zhuǎn)移效率低、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF差，只適用于像素數(shù)較少的攝像器件。雙溝道線陣CCD結(jié)構(gòu)：有兩列CCD模擬移位寄存器A、B,分列在光敏陣列的兩邊。雙溝道線陣CCD工作原理：當(dāng)轉(zhuǎn)移柵A、B為高電位（對于N溝道器件）時，光敏陣列勢阱里存儲的信號電荷包將同時按照箭頭指定的方向分別轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的移位寄存器內(nèi)，然后在驅(qū)動脈沖的作用下分別向右轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)過輸出放大器以一維時序電信號的方式輸出。雙溝道線陣CCD特點：同樣光敏單元數(shù)目的雙溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)比單溝道線圖7-37幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD的原理結(jié)構(gòu)圖時仲詠沖圖7-

11、35雙溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)二維面陣CCD攝像器件按一定的方式將一維線陣的光敏單元和CCD移位寄存器排列成二維陣列?？煞譃閹D(zhuǎn)移方式、隔列轉(zhuǎn)移方式、線轉(zhuǎn)移方式和全轉(zhuǎn)移方式等四種。幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作原理：當(dāng)光敏區(qū)開始進行第二幀圖像的光積分時，暫存區(qū)利用這一時間，將電荷包一次一行地轉(zhuǎn)移給CCD移位寄存器，變?yōu)榇袝r序電信號輸出。當(dāng)CCD移位寄存器將其中的一行電荷包輸出完畢，暫存區(qū)里的電荷包再向下移動一行，又轉(zhuǎn)移給CCD移位寄存器。當(dāng)暫存區(qū)中的電荷包被全部轉(zhuǎn)移完畢，再進行第二幀電荷包的轉(zhuǎn)移。幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的特點：結(jié)構(gòu)簡單、光敏像元的尺寸很小、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF較高，但光敏面積占總面積的比例（填充因

12、子）小。常用面陣CCD的像素數(shù)有512X512、1024X768等，幀頻可高達1200幀/秒，響應(yīng)波長可涵蓋紫外、可見光和紅外波段。微光CCD的構(gòu)成方法:將像增弓雖器與CCD耦合起來，構(gòu)成圖像增強型CCD（簡稱IICCD）;用光電子轟擊CCD的光敏元件，構(gòu)成電子轟擊型CCD（簡稱EBCCD）;在CCD芯片的轉(zhuǎn)移寄存器與輸出放大器之間增加一個特殊的增益寄存器（對信號電荷進行倍增），構(gòu)成電子倍增CCD（簡稱EMCCD）;像增強器與CCD的耦合方式：光學(xué)耦合方式，利用光學(xué)成像系統(tǒng)將像增強器與CCD耦合起來；光纖耦合方式，利用光纖面板（光纖錐）將像增強器與CCD直接耦合起來。CCDib）兒纖屏合方式圖7-38像增強器與CCD芯片的耦合方式電子轟擊型CCD基本原理：入射光子照射光電陰極后轉(zhuǎn)換為光電子，光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速并聚焦成像在CCD的光敏面上，高速轟擊CCD,光敏元件中產(chǎn)生信號電荷，信號電荷再由轉(zhuǎn)移寄存器輸出。電子轟擊型CCD特點：靈敏度高、暗電流小，但工作壽命短。電子倍增CCD原理：增益寄存器的結(jié)構(gòu)與一般的CCD圖7-39近貼式EBCCD的結(jié)構(gòu)類似，只是在電子轉(zhuǎn)移過程第二階段的勢阱被一對高壓（4050）V電極下的深勢阱取代，信號電子在高壓下被電離、形成新的電子。每次電離后的電子數(shù)目約為原來的1.015倍，通過數(shù)百次的電離，可使輸出信號的強度大幅提高。電子倍增CCD特點：