CCD基本工作原理PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1CCD基本工作原理基本工作原理p電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷）p電荷的檢測(cè)（將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）光電二極管FD放大器CCD第1頁(yè)/共81頁(yè)1 前照明光輸入1 背照明光輸入2 電荷生成3 電荷收集4 電荷轉(zhuǎn)移5 電荷測(cè)量視頻輸出第2頁(yè)/共81頁(yè)特性參數(shù)第3頁(yè)/共81頁(yè)一、電荷存儲(chǔ)一、電荷存儲(chǔ)光電轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)電荷怎么存儲(chǔ)？光電轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)電荷怎么存儲(chǔ)？ ，信號(hào)電荷(電子)就可以在此集中儲(chǔ)存。電勢(shì)阱：儲(chǔ)存信號(hào)電荷的電勢(shì)分布狀態(tài) 為了存儲(chǔ)電荷必須制造一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量收集起來(lái)，而且保證所收集電荷不被復(fù)合。第4頁(yè)/共81頁(yè) CCD的構(gòu)成基礎(chǔ)：MOS電容器(Metal-Oxid

2、e-Semiconductor) 金屬 -氧化物- 半導(dǎo)體 第5頁(yè)/共81頁(yè) 半導(dǎo)體作為底電極，稱為“襯底”。襯底分為 P型硅襯底和 N型硅襯底，它對(duì)應(yīng)不同的溝道形式，由于電子遷移率高，所以，大多數(shù) CCD選用 P型硅襯底。第6頁(yè)/共81頁(yè)當(dāng)在柵電極上加上 UG 0的小電壓時(shí)， P型襯底中的空穴從界面處被排斥到襯底的另一側(cè)，在Si表面處只留下一層不能移動(dòng)的受主離子，這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”，形成圖中的充電區(qū)域(空間電荷區(qū))稱作耗盡區(qū)。（相當(dāng)于 MOS電容器充負(fù)電） UG為零時(shí)， Si表面沒(méi)有電場(chǎng)的作用，其多數(shù)載流子濃度與體內(nèi)一樣。 Si本身呈電中性。P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴。第7頁(yè)

3、/共81頁(yè) 正電壓 UG進(jìn)一多增加，當(dāng) UG超過(guò)某一閾值Uth時(shí)，將使得半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）被吸引到半導(dǎo)體表面附近，形成一層極?。ê穸燃s10nm）但電荷濃度很高的反型層。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。（電勢(shì)能最低點(diǎn)） 反型層電荷的存在表明MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。第8頁(yè)/共81頁(yè)s不同氧化層厚度不存在反型層電荷時(shí)勢(shì)阱：由表面勢(shì)產(chǎn)生的阱狀空間。有的定義為：存儲(chǔ)電荷的電勢(shì)分布狀態(tài)。電極上的電壓越大，勢(shì)阱越深，可存儲(chǔ)的電荷量越多，也就代表了CCD器件具有電荷存儲(chǔ)功能。理論分析參見半導(dǎo)體物理第9頁(yè)/共81頁(yè)柵極電壓不變時(shí)，表面勢(shì)與反型層電荷密度的關(guān)系：第10頁(yè)/共81頁(yè)反型層電荷填充勢(shì)阱時(shí)，表

4、面勢(shì)收縮的情況：勢(shì)阱存信號(hào)電荷類似水桶盛水水桶模型溢出現(xiàn)象第11頁(yè)/共81頁(yè)二氧化硅電極N型硅P型硅光生電子空穴對(duì)耗盡區(qū) 埋溝電容是在 一個(gè) p-型襯底上建造的；在p-型襯底表面上形成一個(gè) n-型區(qū)(1m厚)； 然后，生長(zhǎng)出一層薄的二氧化硅(0.1m厚)；再在二氧化硅層上用金屬或高摻雜的多晶硅制作電極或柵極；至此完成了MOS電容的制作。qEp電子的勢(shì)能：q 是電子的電荷量，而為靜電勢(shì) 2-6第12頁(yè)/共81頁(yè)無(wú)偏置時(shí)， n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴(kuò)散， p-型層內(nèi)含有多余的空穴并向n-型層擴(kuò)散； 這個(gè)結(jié)構(gòu)與二極管結(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同。上述的擴(kuò)散產(chǎn)生了內(nèi)部電場(chǎng)，在n-型層內(nèi)電勢(shì)達(dá)到最大。np

5、沿此線的電勢(shì)示于上圖.電勢(shì)CCD厚度方向的截面圖這種埋溝結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能使光生電荷離開CCD 表面，因?yàn)樵贑CD表面缺欠多，光生電荷會(huì)被俘獲。這種結(jié)構(gòu)還可以降低熱噪聲（暗電流）。電荷的收集 MOS 電容器電子勢(shì)能最小的地方位于n-型區(qū)內(nèi)并與硅 - 二氧化硅 (Si - SiO 2) 的交界面有一定距離 這個(gè)勢(shì)能最小(或電位最高) 的地方就是多余電子聚集的地方。 第13頁(yè)/共81頁(yè) CCD曝光時(shí)，每個(gè)像元有一個(gè)電極處于高電位 。硅片中這個(gè)電極下的電勢(shì)將增大，成為光電子收集的地方，稱為勢(shì)阱。其附近的電極處于低電位，形成了勢(shì)壘，并確定了這個(gè)像元的邊界。像元水平方向上的邊界由溝阻確定。電荷的收集 MOS

6、 電容器電勢(shì)電勢(shì)勢(shì)能勢(shì)能第14頁(yè)/共81頁(yè) CCD曝光時(shí)，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢(shì)阱里收集。隨著電荷的增加，電勢(shì)將逐漸變低，勢(shì)阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達(dá)到飽和。 勢(shì)阱能容納的最多電荷稱為滿阱電荷數(shù)。np電勢(shì)最大電勢(shì)區(qū)電荷的收集 MOS 電容器第15頁(yè)/共81頁(yè)實(shí)際的埋溝結(jié)構(gòu)埋溝結(jié)構(gòu)的兩邊各有一個(gè)比較厚(0.5-1.5m)的場(chǎng)氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的 p-型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢(shì)對(duì)柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢(shì)壘。電荷的收集 MOS 電容器柵極N型埋溝場(chǎng)氧化物溝阻P型襯底耗盡區(qū)信號(hào)電荷氧化物第16頁(yè)/共81頁(yè)埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點(diǎn)是：能在單一電極之下的一個(gè)局

7、部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勢(shì)阱；能調(diào)整或控制柵極下面的勢(shì)能；儲(chǔ)存電荷的位置 (勢(shì)能最小處)離 Si- Si02 交界面有一定的距離；低的暗電流使其能夠長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存信號(hào)電荷 (取決于工作條件可以從數(shù)十秒到數(shù)小時(shí))；所收集的電荷可以通過(guò)光照、電注入等產(chǎn)生；能快速地將電荷從一個(gè)電極之下的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到下一個(gè)鄰近的電極下面，而且損失非常低。電荷的收集 MOS 電容器第17頁(yè)/共81頁(yè)像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2 絕緣層電極結(jié)構(gòu)像元邊界入射的光子 光子入射到CCD中產(chǎn)生電子空穴對(duì)， 電子向器件中電勢(shì)最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個(gè)電荷包對(duì)應(yīng)一個(gè)像元。電荷的收集電荷收集的效率與電勢(shì)的分布、復(fù)合壽命和擴(kuò)

8、散長(zhǎng)度有關(guān)。第18頁(yè)/共81頁(yè)二、電荷耦合二、電荷耦合MOS電容器中存儲(chǔ)的電荷如何移動(dòng)？電容器中存儲(chǔ)的電荷如何移動(dòng)？顯微鏡下的顯微鏡下的MOS元表元表面面P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO2 CCD的MOS結(jié)構(gòu)原理：利用電勢(shì)阱移動(dòng)信號(hào)電荷類比：水按順序傾倒到相鄰水桶問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)？時(shí)序驅(qū)動(dòng)脈沖第19頁(yè)/共81頁(yè) 以三相CCD為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程:電極僅靠勢(shì)阱合并 每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極,依次在上面施加三個(gè)相位不同的控制脈沖第20頁(yè)/共81頁(yè)第21頁(yè)/共81頁(yè)三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過(guò)程第22頁(yè)/共81頁(yè)注意各個(gè)電極上電壓的變化:第23頁(yè)/共81

9、頁(yè)第24頁(yè)/共81頁(yè)從上到下依次為1 2 31 0 0 1 0 0 1 0 0 t11 1 0 1 1 0 1 1 0 t20 1 0 0 1 0 0 1 0 t30 1 1 0 1 1 0 1 1 t40 0 1 0 0 1 0 0 1 t51 0 1 1 0 1 1 0 1 t61 0 0 1 0 0 1 0 0 t7TT第25頁(yè)/共81頁(yè)驅(qū)動(dòng)電路：相應(yīng)的時(shí)序電路如何設(shè)計(jì)？從上到下依次為1 2 3 4第26頁(yè)/共81頁(yè)第27頁(yè)/共81頁(yè)第28頁(yè)/共81頁(yè)1、三相電極結(jié)構(gòu)(三相 CCD) 采用對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)，三相 CCD是最簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谀骋淮_定的時(shí)刻，對(duì)存貯有電荷的電極而言，兩個(gè)相鄰

10、電極，需要一個(gè)被“打”開，另一個(gè)保持“關(guān)”閉，以阻止電荷倒流。 通常這種電極結(jié)構(gòu)有三種形式： 三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)第29頁(yè)/共81頁(yè) 在輕摻雜的硅襯底上先生成一層0.1m的 SiO2，而后在 SiO2上蒸發(fā)一層鋁，采用光刻工藝形成間隙很窄的電極。 結(jié)構(gòu)存在明顯的缺點(diǎn)：電極間隙處 SiO2表面裸露在周圍氣氛中，有可能沾污 SiO2表面，造成表面勢(shì)不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)移效率。第30頁(yè)/共81頁(yè) 為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的方法之一就是引用硅柵結(jié)構(gòu)。在氧化物層上沉積一層多晶硅，然后按要求對(duì)電極區(qū)域選擇摻雜(硼或磷)，形成圖中的低阻多晶電極，電極間互連和焊接區(qū)采用蒸鋁來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)

11、優(yōu)點(diǎn)：封閉式，性能穩(wěn)定，成品率高；缺點(diǎn)：由于光刻和多晶硅定域摻雜難以保證電極間高阻區(qū)很窄，使得每個(gè)單元尺寸較大，這樣的結(jié)構(gòu)僅用于小型列陣器件。第31頁(yè)/共81頁(yè)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)構(gòu)形式。電極間窄間隙，又封閉的電極結(jié)構(gòu)。三相交疊電極可以是多晶硅，也可以是鋁金屬，或者兩種混用。第32頁(yè)/共81頁(yè) 三相交疊硅柵的形成工藝：先在硅表面生成一層高質(zhì)量的氧化物（柵氧），跟著沉積一層多晶硅，摻雜后按規(guī)定圖案光刻出第一組電極；而后再進(jìn)行熱氧化，形成一層氧化物，再沉積多晶硅、摻雜，第二次光刻出第二組電極；第三組電極形成方法與第二組電極相同。第33頁(yè)/共81頁(yè)2、 二相硅二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)鋁交

12、疊柵結(jié)構(gòu) 為使 CCD能在二相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下工作，電極本身必須設(shè)計(jì)成不對(duì)稱性，在這種不對(duì)稱電極下產(chǎn)生體內(nèi)勢(shì)壘，即由電極本身保證電荷能定向運(yùn)動(dòng)。 常用方法：利用絕緣層厚度不同的臺(tái)階和離子注入產(chǎn)生的勢(shì)壘優(yōu)點(diǎn)：二相時(shí)鐘方法的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：厚氧化層下面是阻擋勢(shì)壘，不能存貯電荷，加之勢(shì)阱勢(shì)壘差減小， 所以，能夠存貯在勢(shì)阱中的信號(hào)電荷量比三相時(shí)鐘情況少。一相電極第34頁(yè)/共81頁(yè) 四相 CCD工作狀態(tài)與三相器件、二相器件相比，較為適合于工作時(shí)鐘頻率很高的情況(如100MHz)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)波形接近正弦波。雙重勢(shì)壘相隔，轉(zhuǎn)移效率提高第35頁(yè)/共81頁(yè) 前面講的CCD，信號(hào)電荷是貼近氧化層界面的襯底內(nèi)轉(zhuǎn)移。

13、表面 CCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問(wèn)題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。 設(shè)法將信號(hào)的轉(zhuǎn)移溝道移到半導(dǎo)體體內(nèi)，即通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)移溝道進(jìn)行離子注入，使勢(shì)能的極小值離界面有一定距離。第36頁(yè)/共81頁(yè)Qin=qNeoAtc為材料的量子效率；為材料的量子效率； q為電子電荷量；為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；為入射光的光子流速率； A為為光敏單元的受光面積；光敏單元的受光面積； tc為為光的注入時(shí)間。光的注入時(shí)間。 四、電荷的注入四、電荷的注入CCD的的MOS電容器中信號(hào)電荷的來(lái)源？電容器中信號(hào)電荷的來(lái)源？、光注入：分為正面照射式和背面照射式第37頁(yè)/共81頁(yè)Qin =qANeo

14、tc第38頁(yè)/共81頁(yè) 1電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬輸入信號(hào)IG:輸入柵極；當(dāng)CR2為高電平時(shí)，可將ID極看成MOS晶體管的源極，IG為柵極，CR2為漏極。電流注入法結(jié)構(gòu)注入信號(hào)電荷與Uin非線性關(guān)系第39頁(yè)/共81頁(yè)五、電荷的檢測(cè)五、電荷的檢測(cè) (輸出輸出) MOS電容器中信號(hào)電荷最后咋輸出？電容器中信號(hào)電荷最后咋輸出？ 目前的CCD輸出電荷信號(hào)主要是利用電流輸出方式。 第40頁(yè)/共81頁(yè)電路組成：1 輸出二極管反向偏置電路。由電源UD 、電阻R、 襯底p和N+區(qū)構(gòu)成的輸出二極管反向偏置電路，對(duì)于電子來(lái)說(shuō)，N+區(qū)下面相當(dāng)于一個(gè)很深的勢(shì)阱。2 源極輸出放大器3復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管TR過(guò)程描述：1. CCD信號(hào)

15、電荷向右轉(zhuǎn)移到最后一級(jí)轉(zhuǎn)移電極CR2 ；2. CR2電壓由高變低，勢(shì)阱抬高，信號(hào)電荷通過(guò)輸出柵OG下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管中。在輸出二極管反向偏置電路上產(chǎn)生電流ID ；3. 電流ID造成A點(diǎn)電位發(fā)生變化，檢測(cè)A點(diǎn)電位，可得到注入輸出二極管中的電荷量 第41頁(yè)/共81頁(yè) 輸出電流輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系。成正比例關(guān)系。且且QS越大，越大，Id越大，從而越大，從而A點(diǎn)電位就越低。點(diǎn)電位就越低。 隔直電容只將隔直電容只將A點(diǎn)的電位變化取出，然后通過(guò)放大器輸出。點(diǎn)的電位變化取出，然后通過(guò)放大器輸出。復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管TR其作用：迅速排空檢測(cè)二極管的深勢(shì)

16、阱中的剩余電荷，即對(duì)深勢(shì)阱進(jìn)行復(fù)位，從而避免前后兩個(gè)電荷包重疊，為下一個(gè)信號(hào)電荷的檢測(cè)做準(zhǔn)備。過(guò)程：在復(fù)位脈沖RS作用下，TR導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于偏置電阻R，檢測(cè)二極管中的剩余電荷從這流走，恢復(fù)A點(diǎn)高電位。第42頁(yè)/共81頁(yè))0()(1)0()()0(QtQQtQQ 1、電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率和電荷轉(zhuǎn)移損失率 CCD工作時(shí)電荷從一個(gè)電極經(jīng)多次耦合轉(zhuǎn)移到最后電極并工作時(shí)電荷從一個(gè)電極經(jīng)多次耦合轉(zhuǎn)移到最后電極并輸出，如果每次轉(zhuǎn)移都會(huì)損失一部分信號(hào)電荷，會(huì)怎樣？輸出，如果每次轉(zhuǎn)移都會(huì)損失一部分信號(hào)電荷，會(huì)怎樣？)0()(QtQ 電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移損失率： 電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移

17、效率與損失率的關(guān)與損失率的關(guān)系：系： 1六、六、CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)電荷耦合器件的電荷耦合器件的轉(zhuǎn)移效率：一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷量與原來(lái)勢(shì)阱中的電荷量之比。表征CCD性能好壞的重要參數(shù)起始時(shí)刻電極下電荷量為Q(0)時(shí)刻t該電極下電荷量為Q(t)起始電荷量為Q(0)，n次轉(zhuǎn)移后輸出的電荷量為Q(0)n。若=0.99, 24次轉(zhuǎn)移后剩下79%，1024次后僅剩下3.4%。第43頁(yè)/共81頁(yè)提高轉(zhuǎn)移效率提高轉(zhuǎn)移效率 是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵。是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵。一般一般常為常為0.999 995以上。以上。怎么提高轉(zhuǎn)移效率呢？怎么提高轉(zhuǎn)移效率呢？分析電荷損失原因分析電荷

18、損失原因：界面態(tài)對(duì)信號(hào)電荷的俘獲：界面態(tài)對(duì)信號(hào)電荷的俘獲解決方法：解決方法：采用采用“胖胖0”工作模式工作模式（在（在CCD中利用電注入的方式中利用電注入的方式在轉(zhuǎn)移溝道中注入在轉(zhuǎn)移溝道中注入胖胖0電荷電荷）。即讓）。即讓0信號(hào)也有一定的電荷。信號(hào)也有一定的電荷。“胖0” 缺點(diǎn)： “胖0”電荷分量越大，CCD輸出暗電流也越大，并且不能通過(guò)降低器件溫度來(lái)減小。損失率胖0電荷相同驅(qū)動(dòng)頻率,“胖0” 多,損失率低；相同 “胖0” , 頻率低,損失率低;第44頁(yè)/共81頁(yè)g31 fi31 f三相CCD：fTt3132）驅(qū)動(dòng)頻率的上限限制來(lái)源：為保證信號(hào)電荷能夠跟上驅(qū)動(dòng)變化，否則轉(zhuǎn)移效率大大下降。因此，

19、要求轉(zhuǎn)移時(shí)間 t 要大于電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間為g 。第45頁(yè)/共81頁(yè) 體溝道CCD的驅(qū)動(dòng)頻率要高一些，目前，最高驅(qū)動(dòng)頻率已經(jīng)達(dá)到240MHz。這對(duì)CCD在高速成像系統(tǒng)中的應(yīng)用很重要。10-110-210-3*10-4第46頁(yè)/共81頁(yè)第47頁(yè)/共81頁(yè)(1) 單溝道單溝道線陣線陣 ICCD轉(zhuǎn)移次數(shù)較多,效率低，適用于像元數(shù)較少的攝像器件。 光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個(gè)單元溝阻組成: 光敏陣列+ 轉(zhuǎn)移柵+CCD模擬移位寄存器+輸出放大器。光敏陣列：由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管;光敏陣列與CCD之間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵相連，既可以隔離二者，又可以溝通二者。第4

20、8頁(yè)/共81頁(yè)單溝道線陣單溝道線陣 ICCD工作過(guò)程描述：工作過(guò)程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個(gè)單元光注入轉(zhuǎn)移移位輸出光積分時(shí)間 光敏陣列與CCD之間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵隔離時(shí)（轉(zhuǎn)移控制柵接低電平）,光敏陣列進(jìn)行光注入(積分),光敏單元不斷積累電荷； 轉(zhuǎn)移柵變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，光敏區(qū)所累積的信號(hào)電荷將通過(guò)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器中。 在光積分時(shí)間期間（控制柵接低電平時(shí)），CCD模擬移位寄存器在三相交疊脈沖作用下，將信號(hào)電荷一位位移出器件，并經(jīng)過(guò)輸出放大器形成時(shí)序信號(hào)。第49頁(yè)/共81頁(yè)單溝道線陣 ICCD工作過(guò)程描述： 當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷

21、,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過(guò)程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出第50頁(yè)/共81頁(yè)第51頁(yè)/共81頁(yè)(2) 雙溝道線陣雙溝道線陣 ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬移位寄存

22、器和一個(gè)轉(zhuǎn)移柵缺點(diǎn)：由于奇偶信號(hào)電荷分別通過(guò)兩個(gè)模擬移位寄存器和兩個(gè) 輸出放大器輸出，導(dǎo)致輸出的奇偶信號(hào)不均勻。優(yōu)點(diǎn):同樣的像敏單元，雙溝道比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移時(shí)間縮短一半，因此轉(zhuǎn)移效率提高。第52頁(yè)/共81頁(yè) 分類分類(按照排列方式按照排列方式)：幀幀轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式隔列隔列轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式線線轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式 按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面陣CCD。第53頁(yè)/共81頁(yè)(1) 幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 像敏區(qū)由并行排列的像敏區(qū)由并行排列的若干個(gè)電荷耦合溝道組若干個(gè)電荷耦合溝道組成成, 溝道之間用溝阻隔開溝道之間用溝阻隔開,水平電極橫貫

23、各溝道；水平電極橫貫各溝道； 暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)及單元暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)及單元數(shù)和像敏區(qū)完全相同；數(shù)和像敏區(qū)完全相同； 暫存區(qū)和行讀出寄存暫存區(qū)和行讀出寄存器均用金屬鋁遮蔽。器均用金屬鋁遮蔽。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移三相面陣幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD 組成：組成：1.像敏區(qū)像敏區(qū)2.信號(hào)電荷暫存區(qū)信號(hào)電荷暫存區(qū)3.水平讀出寄存器水平讀出寄存器第54頁(yè)/共81頁(yè)光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 工作過(guò)程（配合電視制式）：工作過(guò)程（配合電視制式）： 場(chǎng)正程：場(chǎng)正程：像敏區(qū)光積像敏區(qū)光積分并存儲(chǔ)信號(hào)電荷；分并存儲(chǔ)信號(hào)電荷；場(chǎng)逆程：場(chǎng)逆程：像敏區(qū)信號(hào)像敏區(qū)信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)；電荷并

24、行轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)；下一個(gè)場(chǎng)正程：下一個(gè)場(chǎng)正程：行逆程：行逆程：最下面一行最下面一行信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到行讀出寄信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到行讀出寄存器中存器中,暫存區(qū)下移一行；暫存區(qū)下移一行；行正程：行正程：水平讀出寄水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)；存器輸出一行視頻信號(hào)； 信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移依賴信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移依賴相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。第55頁(yè)/共81頁(yè)第56頁(yè)/共81頁(yè)光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn): 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光敏單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光敏單元的尺寸可以很小，傳元的尺寸可以很小，傳遞函數(shù)遞函數(shù)MTF較高；較高；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：光敏面積所占總面光敏面積所占總面積的比例小。

25、積的比例小。第57頁(yè)/共81頁(yè)第58頁(yè)/共81頁(yè)以兩相驅(qū)動(dòng)的面陣CCD為例：工作時(shí)序類似幀轉(zhuǎn)移型像敏單元轉(zhuǎn)移控制柵讀出寄存器溝阻第59頁(yè)/共81頁(yè)第60頁(yè)/共81頁(yè)線尋址電路 垂直輸出寄存器 驅(qū)動(dòng)脈沖 優(yōu)點(diǎn)：有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，效率高。不足：電路比較復(fù)雜； 特點(diǎn)：取消了存儲(chǔ)區(qū)，多了線尋址電路。根據(jù)不同尋求，線尋址電路發(fā)出不同的地址選取信號(hào)后，相應(yīng)行一位位輸出。從而非常方便選擇掃描方式，實(shí)現(xiàn)逐行或隔行掃描；還可以工作在線陣CCD的狀態(tài)第61頁(yè)/共81頁(yè)第62頁(yè)/共81頁(yè)第63頁(yè)/共81頁(yè)第64頁(yè)/共81頁(yè)小盆虹吸泵雨水量筒第65頁(yè)/共81頁(yè)每個(gè)小盆接到的雨水?dāng)?shù)量不同類比中，雨滴表示光子；

26、收集的雨水表示CCD探測(cè)的電荷;小盆表示像元，小盆的深度表示每個(gè)像元可以容納多少電荷；虹吸泵表示CCD的移位寄存器；雨水量筒表示CCD的輸出放大器。第66頁(yè)/共81頁(yè)先將雨水向左移動(dòng)為了測(cè)量每個(gè)小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵將每個(gè)小盆中的雨水向雨水量筒轉(zhuǎn)移。第67頁(yè)/共81頁(yè)倒空量筒圖示的狀態(tài)是一次測(cè)量后的狀態(tài)。第68頁(yè)/共81頁(yè)又一次測(cè)量結(jié)束。倒空量筒第69頁(yè)/共81頁(yè)倒空量筒一行電荷測(cè)量結(jié)束。第70頁(yè)/共81頁(yè)第71頁(yè)/共81頁(yè) ecinhqAtQ2、光譜響應(yīng)、光譜響應(yīng) （二）ICCD的基本特性參數(shù)線性關(guān)系第72頁(yè)/共81頁(yè) 1、勢(shì)阱可存儲(chǔ)的最大信號(hào)電荷量、勢(shì)阱可存儲(chǔ)的最大信號(hào)電荷量 取決于取決于CCD的電極面積、器件結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)的電極面積、器件結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)脈沖電壓幅度等。動(dòng)脈沖電壓幅度等。 2、