電荷耦合器件

§6.3

、電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)固體成像器件電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice,CCD)互補金屬氧化物半導體CMOS圖像傳感器（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS）2/2/20231CCD立體相機前中后三層影像合成三維圖片激光高度計(高度5m、分辨率1m)干涉成像光譜儀γ射線相機X射線相機微波探測儀(土壤厚度、氦-3)高能粒子探測器低能離子探測器元素探測探測地月間的環(huán)境2/2/20232電荷耦合器件CCD線陣CCD面陣CCD表面溝道CCD(SCCD),電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉移。體溝道CCD(BCCD),電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體內(nèi)沿一定方向轉移CCD類型2/2/202336.3.1電荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感2/2/20234特點：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉移CCD基本工作原理信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的傳輸信號電荷的檢測2/2/202351.1.1電荷存貯

CCD是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導體（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容陣列組成。MetalOxideSemiconductor2/2/20236金屬VG氧化物（SiO2）半導體(P—Si)電子勢阱界面勢如果有光入射到半導體硅片上，在光子的作用下，半導體硅產(chǎn)生電子－空穴對，由此產(chǎn)生的光電子被表面的勢阱所吸收。而空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。

當在金屬電極上加正電壓VG時，在電場的作用下，電極下Ｐ型區(qū)域里的多數(shù)載流子空穴被排斥、驅趕，形成了一個耗盡區(qū)。而對于少數(shù)載流子電子，電場則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對于帶負電的電子來講是一個勢能很低的區(qū)域稱為“勢阱”。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的“深度”，而表面勢的大小近似與柵壓VG成正比。2/2/20237勢阱內(nèi)吸收的光電子數(shù)量與入射光勢阱附近的光強成正比。這樣一個MOS結構單元就稱光敏單元或一個象素；而將一個勢阱所吸收集的若干個光生電荷稱為一個電荷包。通常在半導體硅片上制有成千上萬個相互獨立的MOS光敏單元，如果在金屬電極上加上正電壓，則在半導體硅片上就形成成千上萬的個相互獨立的勢阱。如果此時照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會產(chǎn)生出一幅與光照強度相對應的光電荷圖像，因而得到影像信號。2/2/202381.1.2.電荷耦合CCD器件每一單元（每一像素）稱為一位，有256位、1024位、2160位等線陣CCD。CCD一位中含的MOS電容個數(shù)即為CCD的相數(shù)，通常有二相、三相、四相等幾種結構，它們施加的時鐘脈沖也分為二相、三相、四相。二相脈沖的兩路脈沖相位相差1800；三相及四相脈沖的相位差分別為1200、900。當這種時序脈沖加到CCD驅動電路上循環(huán)時，將實現(xiàn)信號電荷的定向轉移及耦合。

圖所示TCD1206的相鄰兩像元，每一位含MOS電容2個

取表面勢增加的方向向下，工作過程如圖所示：

2/2/20239<第二位><第一位>不對稱勢阱每一位下兩個Φ1Φ2①t=t1時②t=t2時③t=t3時④t=t4時Φ1Φ2t1t2t3TCD1206二相驅動波形（Φ1、Φ2相位差1800）t4

at=t1時，Φ1電極處于高電平，而Φ2電極處于低電平。由于Φ1電極上柵壓大于開啟電壓，故在Φ1下形成勢阱，假設此時光敏二極管接收光照，它每一位（每一像元）的電荷都從對應的Φ1電極下放入勢阱。

2/2/202310bt=t2時，Φ1電極上柵壓小于Φ2電極上柵壓，故Φ1電極下勢阱變淺，勢阱變深，電荷更多流向Φ2電極下。（由于勢阱的不對稱性，“左淺右深”，電荷只能朝右轉移

ct=t3時，Φ2電極處于高電平，而Φ1電極處于低電平，故電荷聚集到Φ2電極下，實現(xiàn)了電荷從Φ1電極下到Φ2電極下的轉移。

d同理可知，t=t4時，電荷包從上一位的Φ1電極下轉移到下一位的Φ1電極下。因此，時鐘脈沖經(jīng)過一個周期，電荷包在CCD上移動一位。2/2/2023111.1.3電荷注入

光注入方式當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集到勢阱中形成信號電荷。在CCD中，電荷注入分為兩類：光注入和電注入。N為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積，t為光注入時間2/2/202312Φ1Φ2G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（場效應管）漏極柵極源極（直流偏置）輸出柵（器件內(nèi)部，總打開）注：.對二相CCD，只有Φ1、Φ2電極；②.Φ2下電荷耦合進T3。（復位脈沖ΦR）4電荷檢測

CCD輸出結構的作用是將CCD中信號電荷變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵?，以檢測信號電荷的大小。

浮置擴散放大器屬于電壓輸出方式，目前采用較多。其基本結構和工作原理如下：如圖所示，給出了CCD的電壓輸出電路。放大管T1

復位管T2輸出二極管T32/2/202313此電荷積分器隨T2管的開與關，處于選通和關閉狀態(tài)，稱為選通電荷積分器放大管T1是源跟隨器復位管T2工作在開關狀態(tài)輸出二極管T3始終處于強反偏狀態(tài)A點的等效電容C由T3管的結電容加上T1管的柵電容構成，它構成一個電荷積分器Φ1Φ2G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（場效應管）漏極柵極源極（直流偏置）輸出柵（器件內(nèi)部，總打開）注：.對二相CCD，只有Φ1、Φ2電極；②.Φ2下電荷耦合進T3。（復位脈沖ΦR）2/2/202314Φ2Φ1ΦRVout如圖所示為電壓輸出工作波形圖。

CCD電壓輸出工作原理為：在每個時鐘脈沖周期內(nèi)，隨著時鐘脈沖Φ1或Φ2的下降過程，就有一個電荷包從CCD轉移到輸出二極管T3的N區(qū)，即轉移到電荷積分器上，引起A點電位變化為：2/2/202315由于MOS管T1的電壓增益為

式中gm為電導，RL為負載電阻，故T1管源極輸出電壓變化為：

對Vout進行讀出，然后T2管柵極RG在復位脈沖ΦR的作用下導通，將電荷包Q通過T2管的溝道抽走，使A點電位重新置在VRD值，為下一次Vout讀出作準備。因為是N溝道，信息電荷為電子，故加負號

當ΦR結束，T2管關閉后，由于T1管處于A點的VRD電位的強反偏狀態(tài)，此積分器無放電回路，所以A點電位一直維持在VRD值，直到下一個時鐘脈沖信號電荷到來為止。2/2/2023162、電荷耦合器件的特性參數(shù)2.1電荷轉移效率和轉移損失率N個電極轉移后所剩余的電量為2/2/2023172.2驅動頻率驅動頻率的下限在信號電荷的轉移過程中，為了避免由于熱激發(fā)少數(shù)載流子而對注入信號電荷的干擾，注入電荷從一個電極轉移到另一個電極所用時間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命，對于二相來講，周期為T

載流子的平均壽命與器件的工作溫度有關，工作溫度越高，熱激發(fā)的少數(shù)載流子平均壽命越短，驅動頻率的下限越高2/2/202318驅動頻率的上限驅動頻率升高時，驅動脈沖驅使電荷從一個電極轉移到另一個電極的時間t應大于從一個電極轉移到另一個電極的固有時間，才能保證電荷的完全轉移，否則信號電荷跟不上驅動脈沖的變化，將會使轉移效率大大下降。電荷轉移的快慢與載流子的遷移率、電極長度、襯底雜質的濃度和溫度等因素有關。2/2/2023193.2、幾種常用的CCD驅動方法CCD驅動時序產(chǎn)生方法多種多樣，常用的方法有：這種方法用數(shù)字門電路及時序電路搭成CCD驅動時序電路。一般由振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、計數(shù)器等組成?？捎脴藴蔬壿嬈骷畛苫蚩删幊踢壿嬈骷瞥?。特點是驅動頻率高，但邏輯設計比較復雜。a直接數(shù)字電路驅動方法

b.可編程邏輯器件CPLD驅動頻率和積分時間可以調(diào)節(jié)2/2/202320c單片機驅動方法

單片機產(chǎn)生CCD驅動時序的方法，主要依靠程序編制，直接由單片機I/O口輸出驅動時序信號。時序信號是由程序指令間的延時產(chǎn)生。這種方法的特點是調(diào)節(jié)時序靈活方便、編程簡單，但通常具有驅動頻率低的缺點。如果使用指令周期很短單片機（高速單片機），則可以克服這一缺點。

在EPROM中事先存放驅動CCD的所有時序信號數(shù)據(jù)，并由計數(shù)電路產(chǎn)生EPROM的地址使之輸出相應的驅動時序。這種方法結構簡明，與單片機驅動方法相似。dEPROM驅動方法2/2/202321e專用IC驅動方法

利用專用集成電路產(chǎn)生CCD驅動時序，集成度高、功能強、使用方便。在大批量生產(chǎn)中，驅動攝像機等視頻領域首選此法，但在工業(yè)測量中又顯得靈活性不好?？捎每删幊踢壿嬈骷ù妗皩Ｓ肐C驅動方法”。2/2/2023223.3、CCD圖象傳感器的應用

CCD的七個應用領域

１).小型化黑白、彩色TV攝像機(面陣CCD應用最廣泛的領域。)2).傳真通訊系統(tǒng)

用1024～2048像元的線陣CCD作傳真機，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開稿件的掃描。

3).光學字符識別

代替人眼，把字符變成電信號，進行數(shù)字化，然后用計算機識別。

4).廣播TV

2/2/2023235).工業(yè)檢測與自動控制

這是CCD應用量很大的一個領域，統(tǒng)稱機器視覺應用。

a.在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機械等領域作零件尺寸的動態(tài)檢測，產(chǎn)品質量、包裝、形狀識別、表面缺陷或粗糙度檢測。b.在自動控制方面，主要作計算機獲取被控信息的手段。c.還可作機器人視覺傳感器。

2/2/2023246).可用于各種標本分析（如血細胞分析儀），眼球運動檢測，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像等。

a.天文攝像觀測b.

從衛(wèi)星遙感地面

如：美國用5個2048位CCD拼接成10240位長取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛(wèi)星傳感器。c.

航空遙感、衛(wèi)星偵察如：1985年歐洲空間局首次在SPOT衛(wèi)星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。

還在軍事上應用：微光夜視、導彈制導、目標跟蹤、軍用圖象通信等。

7).

天文觀測2/2/202325He-Ne信號讀出信號處理時鐘發(fā)生控制器計數(shù)顯示器透鏡細絲線陣CCDL１、微小尺寸的檢測（10~500um）用衍射的方法對細絲、狹縫、微小位移、微小孔等進行測量。

根據(jù)夫瑯和費衍射公式:可以得到：例：尺寸測量2/2/202326d——細絲直徑；K——衍射暗紋級次K=±1,2,3…；λ——激光波長；

L——被測細絲到CCD光敏面的距離；

θ——被測細絲到第K級暗紋的連線，與光線主軸的夾角；

xk————第K級暗紋到光軸的距離。

3θ012XkSdL2/2/202327當θ很小時（即L足夠大時）Sinθ≈tgθ=xk/L代入

得到：S——暗紋寬度，S=XK/K是相等的，則測細絲直徑d轉化為用CCD測S

誤差分析2/2/202328由于激光波長誤差很小可忽略不計，則

例：He-Ne激光λ＝632.8nm,L=1000mm±0.5mm,d=500μm,

當CCD像元選用13±1μm測量誤差：2/2/202329絲越細，測量精度越高（d越小S越大），甚至可達到Δd=10-2μm.

S的測量方法

S=ns·pVn圖象傳感器(IS)輸出的視頻信號經(jīng)放大器A放大，再經(jīng)峰值保持電路PH和采樣保持電路S/H處理，變成箱形波，送到A/D轉換器進行逐位A/D轉換，最后讀入計算機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理。判斷并確定兩暗紋之間的像元數(shù)ns，則暗紋寬度S=ns·p(p為圖象傳感