第8 固體成象器件

1、第八章第八章 固體成象器件固體成象器件 固體成象器件主要有兩大類：電荷耦固體成象器件主要有兩大類：電荷耦合器件合器件（charge coupled device，CCD）和自掃描光電二報管列陣和自掃描光電二報管列陣（self scanned photodiode Array，SSPD），），它們與真空它們與真空攝象器件相比，具有顯著的優(yōu)點。攝象器件相比，具有顯著的優(yōu)點。優(yōu)點：優(yōu)點： 1、全固體化，體積小，重量輕，工作電壓與、全固體化，體積小，重量輕，工作電壓與功能都很低；耐沖擊性能好，可靠性高，壽命長。功能都很低；耐沖擊性能好，可靠性高，壽命長。 2、基本上不保留殘象，無象元燒傷扭曲現(xiàn)象，、基

2、本上不保留殘象，無象元燒傷扭曲現(xiàn)象，不受電磁干擾。不受電磁干擾。 3、對紅外也敏感，、對紅外也敏感，SSPD敏感范圍敏感范圍0.251.1m mm，CCD可做成紅外敏感型，可用于紅外視可做成紅外敏感型，可用于紅外視系統(tǒng)。系統(tǒng)。 4、象元幾何尺寸位置精度高（優(yōu)于、象元幾何尺寸位置精度高（優(yōu)于1m mm），），可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)?？捎糜诓唤佑|精密尺寸測量系統(tǒng)。 5、視頻信號與微機接口容易。、視頻信號與微機接口容易。第八章第八章 固體成象器件固體成象器件8-1 電荷耦合器件的電荷耦合器件的 工作原理工作原理8-2 電荷耦合攝像器件（電荷耦合攝像器件（CCID)8-3 其他固體成像器件其他固

3、體成像器件8-4 固體攝像器件的應(yīng)用固體攝像器件的應(yīng)用8-1 電荷耦合器件的工作原理電荷耦合器件的工作原理CCD的基本單元是的基本單元是MOS（金屬（金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。MOS結(jié)構(gòu)實際上是一個結(jié)構(gòu)實際上是一個MOS電容。電容。 CCD是在是在N型或型或P型半導(dǎo)體襯底上生型半導(dǎo)體襯底上生長一層長一層0.120.05m mm的二氧化硅（的二氧化硅（SiO2）層，然后按一些次序沉積幾個金屬或多層，然后按一些次序沉積幾個金屬或多晶硅電板，作為柵極。柵極間的間隔晶硅電板，作為柵極。柵極間的間隔0.152m mm，電極中心距，電極中心距515m mm，每，每個電板與其下面的二氧

4、化硅和個電板與其下面的二氧化硅和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體之間形成了一個之間形成了一個MOS電容，可以存儲電電容，可以存儲電量。量。這種器件的突出特點是以這種器件的突出特點是以電荷電荷作為信號。作為信號。兩種基本類型兩種基本類型 表面溝道電荷耦合器件表面溝道電荷耦合器件（SCCD）電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鞑?。面?zhèn)鞑ァ?體內(nèi)溝道電荷耦合器件（體內(nèi)溝道電荷耦合器件（BCCD）電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向傳播。半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向傳播。1 1、CCDCCD的的MOS

5、MOS結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)特性 CCD是由按一定規(guī)律排列的是由按一定規(guī)律排列的MIS（金屬（金屬 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體）電容列陣組成。對于半導(dǎo)體）電容列陣組成。對于Si-CCD，絕緣體是硅的，絕緣體是硅的氧化物，常用名稱為氧化物，常用名稱為MOS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。金屬SiO2P-SiN溝金屬SiO2N-SiP溝柵極：金屬柵極：金屬 Si透光多晶硅薄膜透光多晶硅薄膜電介質(zhì)：絕緣體電介質(zhì)：絕緣體 SiSiO2襯底：半導(dǎo)體襯底：半導(dǎo)體 PSi N溝道溝道 NSi P溝道溝道1、MOS電容的熱平衡特性（以電容的熱平衡特性（以P-Si為例）為例） 1）理想狀態(tài)）理想狀態(tài)金屬SiO2P-SiEcEiEfEvW: :積累

6、層厚度積累層厚度2）金屬電極上施加負電）金屬電極上施加負電壓壓積累層積累層EcEiEfEv電子能帶圖電子能帶圖VG 0多數(shù)載流子堆積狀態(tài)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)eVs3）金屬電極上施加較小的正電壓）金屬電極上施加較小的正電壓耗盡層耗盡層EcEiEfEvW: :耗盡層厚度耗盡層厚度EcEiEfEvW: :反型層厚度反型層厚度反型層型層VG 0VG Vt4）當(dāng)）當(dāng)VG增大，超過閾值電壓增大，超過閾值電壓Vt時時多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)多數(shù)載流子反型狀態(tài)多數(shù)載流子反型狀態(tài)eVseVs表面勢表面勢（Vs）：以體內(nèi)的）：以體內(nèi)的Ei為零勢點，表面上為零勢點，表面上Eis相對于體內(nèi)相對于體內(nèi)Ei的勢

7、稱為表面勢。的勢稱為表面勢。sisiVEEq能帶向上彎曲，能帶向上彎曲，EisEi，Vs0，表面勢為負；表面勢為負；能帶向下彎曲，能帶向下彎曲， Eis0，表面勢為正。表面勢為正。對于電子而言，對于電子而言，Vs大，對應(yīng)電子深勢阱大，對應(yīng)電子深勢阱Vs小，對應(yīng)電子淺勢阱小，對應(yīng)電子淺勢阱平帶電壓平帶電壓（VFBFB）：）： 實際情況中能帶稍有彎曲，使能帶變平實際情況中能帶稍有彎曲，使能帶變平所需電壓稱平帶電壓。所需電壓稱平帶電壓。閾值電壓閾值電壓（Vth）：）： 當(dāng)外加電壓繼續(xù)增大到某一值，界面下當(dāng)外加電壓繼續(xù)增大到某一值，界面下電子的濃度等于襯底的空穴濃度，這時稱為電子的濃度等于襯底的空穴濃

8、度，這時稱為強反型層，此時對應(yīng)的外加電壓值為閾值電強反型層，此時對應(yīng)的外加電壓值為閾值電壓。壓。 2、電荷存儲過程、電荷存儲過程（b）加負偏壓EfmEiEfEcEv電荷存儲量VG0空間電荷區(qū)Q-Q（a）未加偏壓EfmEiEfEcEv電荷存儲量（c）加正偏壓EfmEiEfEcEv電荷存儲量Q-QVG0圖圖2 MOS電容存儲電荷原理圖電容存儲電荷原理圖（1）穩(wěn)態(tài)時）穩(wěn)態(tài)時MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì) 未加偏壓時，未加偏壓時，P型半導(dǎo)體中空穴中型半導(dǎo)體中空穴中分布是均勻的，能帶不彎曲，分布是均勻的，能帶不彎曲，SiO2兩側(cè)能兩側(cè)能級相等。（級相等。（E1 Ef）。）。 在柵極上加一定負偏壓在柵

9、極上加一定負偏壓VG（0但較?。r，表面勢為正，電但較?。r，表面勢為正，電子能量減小，表面處能帶向下彎曲子能量減小，表面處能帶向下彎曲.這時這時近表面處空穴被推開，一定寬度內(nèi)留下近表面處空穴被推開，一定寬度內(nèi)留下受主離子形成的空間電荷區(qū)，稱多子耗受主離子形成的空間電荷區(qū)，稱多子耗盡區(qū)。此區(qū)域?qū)﹄娮觼碚f是一個勢能很盡區(qū)。此區(qū)域?qū)﹄娮觼碚f是一個勢能很低的區(qū)域，故也稱低的區(qū)域，故也稱“勢阱勢阱”，此時能夠，此時能夠彎曲部分的寬度就是耗盡層的厚度，彎曲部分的寬度就是耗盡層的厚度， 在金屬上加較大的正向電壓在金屬上加較大的正向電壓VG，則能，則能帶在表面處向下彎曲更厲害，此時界面上的費帶在表面處向下彎

10、曲更厲害，此時界面上的費米能級高于中間區(qū)域的價帶底能級米能級高于中間區(qū)域的價帶底能級EC，這表示，這表示界面處的電子濃度將超過空穴濃度，形成了原界面處的電子濃度將超過空穴濃度，形成了原來來P型半導(dǎo)體相反的一層型半導(dǎo)體相反的一層N型區(qū)，這時從表面型區(qū)，這時從表面開始到開始到EC與與E1相交點的一個薄層內(nèi)，變成了相交點的一個薄層內(nèi)，變成了N型導(dǎo)電，稱為反型區(qū)。在反型區(qū)與型導(dǎo)電，稱為反型區(qū)。在反型區(qū)與P型區(qū)之間型區(qū)之間為耗盡區(qū)。當(dāng)為耗盡區(qū)。當(dāng)VG進一步增大，使界面下電子濃進一步增大，使界面下電子濃度等于襯底空穴濃度時稱為強反型狀態(tài)。度等于襯底空穴濃度時稱為強反型狀態(tài)。 反型層電荷的存在表明了反型層電

11、荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。3、MOS電容的非平衡特性（以電容的非平衡特性（以p型型Si為例）為例） 1）CCD存儲電荷、轉(zhuǎn)移電荷的基礎(chǔ)存儲電荷、轉(zhuǎn)移電荷的基礎(chǔ)金屬SiO2P-SiVG電子勢阱2）外加電壓（）外加電壓（VG）與表面勢（）與表面勢（VS）的關(guān)系）的關(guān)系SAsoxSFBGVqNCVVV021其中其中NA為受主濃度，為受主濃度， Cox為氧化層電容，為氧化層電容， 為硅介電常數(shù)，為硅介電常數(shù)， 為真空介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)，q為電子電荷量為電子電荷量s0可以看出：勢阱的深淺和三因素有關(guān)可以看出：勢阱的深淺和三因素有關(guān)1）柵極電壓）柵極電壓VG VG

12、越大，越大，VS 越大，對應(yīng)深勢阱；越大，對應(yīng)深勢阱；VG 越小，越小，VS 越小，對應(yīng)淺勢阱越小，對應(yīng)淺勢阱2）摻雜濃度）摻雜濃度NA NA 越大，越大，VS 越小，對應(yīng)淺勢阱；越小，對應(yīng)淺勢阱； NA 越小，越小，VS 越大，對應(yīng)深勢阱越大，對應(yīng)深勢阱3 3）氧化層厚度）氧化層厚度d d d 越大，越大，VS 越小，對應(yīng)淺勢阱；越小，對應(yīng)淺勢阱； d 越小，越小，VS 越大，對應(yīng)深勢阱越大，對應(yīng)深勢阱若勢阱中填入信號電荷若勢阱中填入信號電荷Qs，則，則oxsSAsoxSFBGCQVqNCVVV021表明：在表明：在VG一定的情況下，勢阱深度隨填入信一定的情況下，勢阱深度隨填入信號電荷線形下

13、降號電荷線形下降二、二、CCD的工作原理的工作原理二、二、CCD的工作原理的工作原理2V 10V 2V 2V(a)(1) (2) (3)(1) (2) (3)2V 10V 10V 2V(b)(1) (2) (3)2V 2V 10V 2V(c)要求要求1）結(jié)構(gòu)緊密，）結(jié)構(gòu)緊密，MOS電容勢阱相互溝通，相互耦合；電容勢阱相互溝通，相互耦合；2）柵極電壓高低調(diào)節(jié)勢阱深度，實現(xiàn)信號電荷轉(zhuǎn)移；）柵極電壓高低調(diào)節(jié)勢阱深度，實現(xiàn)信號電荷轉(zhuǎn)移；3）柵極脈沖電壓必須嚴格滿足位相要求，保證信號轉(zhuǎn)）柵極脈沖電壓必須嚴格滿足位相要求，保證信號轉(zhuǎn)移按確定方向。移按確定方向。1、定向轉(zhuǎn)移、定向轉(zhuǎn)移 一個電極保持10V，第

14、二個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。 若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。 CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長度是足夠了。2、三相、三相N溝溝CCD工作原理工作原理t1 t2 t3 t4 t5 t6 1 t123（b）圖4.5-3 三相CCD時鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系（a）按時序電荷在勢阱內(nèi)傳輸 （b）三相驅(qū)

15、動波形（a）t=t1t=t2t=t3t=t4第二位第一位123a1b1c1a2b2c23、二相、二相N溝溝CCD工作原理工作原理圖 8-5 注入勢壘二相結(jié)構(gòu)勢阱圖2P型Si注入?yún)^(qū)SiO21t2t112t2t14、四相、四相N溝溝CCD工作原理工作原理(a)(a)普通四相時鐘波形普通四相時鐘波形（b b）雙時鐘波形）雙時鐘波形t1 t2 t3 t441321324P-SiSiO24 1 2 3 4 1t1t2t3t4(c)(c)普通時鐘驅(qū)動下的勢阱長度普通時鐘驅(qū)動下的勢阱長度（d d）雙時鐘驅(qū)動下勢阱分布）雙時鐘驅(qū)動下勢阱分布SiO24 1 2 3 4 1t1t2t3t4P-Si圖圖8-6 8-

16、6 四相驅(qū)動四相驅(qū)動 主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。 1) 輸入部分：將信號電荷引入到的第一個轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。 電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入 電注入：電注入：用于濾波、延遲線和存儲器等。用于濾波、延遲線和存儲器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。的工作原理的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2光注入：光注入：用于攝像機。用光敏元件代替用于攝像機。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時，在硅片時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子?xùn)艠O附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴空穴對，

17、其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。荷。2）電荷輸出方式 電流輸出 浮置擴散放大器輸出 浮置柵放大器輸出 在柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號。 為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。 以電子為信號電荷的以電子為信號電

18、荷的CCD稱為稱為N型型溝道溝道CCD，簡稱為，簡稱為N型型CCD。而以空穴。而以空穴為信號電荷的為信號電荷的CCD稱為稱為P型溝道型溝道CCD，簡稱為簡稱為P型型CCD。由于電子的遷移率遠。由于電子的遷移率遠大于空穴的遷移率，因此大于空穴的遷移率，因此N型型CCD比比P型型CCD的工作頻率高得多。的工作頻率高得多。5、CCD的特點1）體積小，功耗低，可靠性高，壽命長。2）空間分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度。3）光電靈敏度高，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強，信噪比高 。4）高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有1520的殘象)5）集成度高6）可用于非接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。7）無像元燒

19、傷、扭曲，不受電磁干擾。8）有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計算機結(jié)合接口。6 6、CCDCCD的特性參數(shù)的特性參數(shù) 電荷轉(zhuǎn)移效率（要求達到電荷轉(zhuǎn)移效率（要求達到0.9999以上）以上） 不均勻性（光敏元大小的不均勻與靈不均勻性（光敏元大小的不均勻與靈敏度的不均勻性，一般應(yīng)小于敏度的不均勻性，一般應(yīng)小于5%） 暗電流暗電流 靈敏度靈敏度 光譜響應(yīng)與干涉效應(yīng)光譜響應(yīng)與干涉效應(yīng) 噪聲 分辨率與調(diào)制函數(shù) 動態(tài)范圍與線性度（一般10-1105lm/m2,特別的可以到10-310-5lm/m2，但要進行圖象增強） 頻率范圍 31Lf 231tfH式中 熱激發(fā)的少數(shù)載流子壽命，一般在零點

20、幾秒到數(shù)百秒；2t轉(zhuǎn)移時間，可到10納秒。 CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型按電荷存儲的位置分有兩種基本類型1）電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的）電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏斀缑妫⒀亟缑鎮(zhèn)鬏?表面溝道表面溝道CCD(簡稱簡稱SCCD)。2）電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度）電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸輸 體溝道或埋溝道器件體溝道或埋溝道器件(簡稱簡稱BCCD)。7、CCD的類型的類型 線陣：線陣：光敏元排列為一行的稱為線光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從陣，象元數(shù)從128位至位至5000位

21、以至位以至7000位不等，位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場上有數(shù)十種由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場上有數(shù)十種型號的器件可供選用。型號的器件可供選用。 面陣面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結(jié)合。含若干行和列的結(jié)合。 目前達到實用階段的象元數(shù)由目前達到實用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬至數(shù)百萬個不等，按照片子的尺寸不同有萬個不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、英寸、l2英寸、英寸、23英寸以至英寸以至1英寸之分。英寸之分。線陣線陣CCD：一行，掃描；一行，掃描；體積小，價格低；體積小，價格低；面面陣陣CCD: 整幅圖像；直觀；價格高，體積大；整幅圖

22、像；直觀；價格高，體積大；面陣面陣CCDCCD芯片芯片8 8、CCDCCD在檢測方面的應(yīng)用在檢測方面的應(yīng)用 1、幾何量測量 2、自動步槍激光模擬射擊系統(tǒng)。 3、光譜測量 4、光譜儀輸出信號測量。 8.2 電荷耦合攝像器件（CCID） 1、一維線陣CCID 2、二維面陣CCID 3、增強型CCID一、線陣一、線陣CCID的工作原理的工作原理結(jié)構(gòu)有兩種：單邊傳輸和雙邊傳輸結(jié)構(gòu)有兩種：單邊傳輸和雙邊傳輸(a)(a)單邊傳輸單邊傳輸(b)(b)雙邊傳輸雙邊傳輸輸出輸出輸出輸出光敏元光敏元圖圖8-2-1 8-2-1 線列線列CCDCCD成像器件成像器件1、結(jié)構(gòu)與功能、結(jié)構(gòu)與功能以單邊傳輸型為例，有光敏區(qū)

23、、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存以單邊傳輸型為例，有光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器、偏置電路和信號讀出電路組成器、偏置電路和信號讀出電路組成rT2T3T1S0DrD輸出圖圖4.5-2 4.5-2 線列線列CCDCCD成象器件成象器件轉(zhuǎn)移區(qū)N 光敏區(qū) 3 2 1N-1N-2CCDG12431G0Stp(1) 光敏區(qū)：光敏區(qū)：N個光敏元排成一排，光敏元為個光敏元排成一排，光敏元為MOS結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)，其共同柵極共同柵極p為透明低阻的多晶硅薄條，為透明低阻的多晶硅薄條，MOS電容基底為電容基底為p-Si，硅表面相鄰兩光敏元之間都用溝阻隔開，保證信號，硅表面相鄰兩光敏元之間都用溝阻隔開，保證信號電荷不被拉平電荷不

24、被拉平光敏區(qū)光敏區(qū)溝阻溝阻柵極（多晶硅）柵極（多晶硅）（b）（a）P-Si圖圖4.5-3 MOS 4.5-3 MOS 型光敏元件結(jié)構(gòu)型光敏元件結(jié)構(gòu)（a）剖視圖剖視圖 （b）頂視圖頂視圖SiO2(3) 移位寄存器移位寄存器(CCD)： N位位CCD與與N位光敏元、位光敏元、轉(zhuǎn)移柵一一對應(yīng)，各光轉(zhuǎn)移柵一一對應(yīng)，各光敏元通向敏元通向CCD的各轉(zhuǎn)的各轉(zhuǎn)移溝道之間有溝阻隔，移溝道之間有溝阻隔，并且只能通向并且只能通向CCD的的某一相某一相(2) 轉(zhuǎn)移柵：位于光敏區(qū)和移位寄存器之間，轉(zhuǎn)移柵：位于光敏區(qū)和移位寄存器之間，以實現(xiàn)兩者間的電荷轉(zhuǎn)移以實現(xiàn)兩者間的電荷轉(zhuǎn)移(4) 偏置電荷回路：由輸入二極管偏置電荷回

25、路：由輸入二極管S（通常稱為源）和輸入（通常稱為源）和輸入柵柵Gi組成的偏置電荷回路，用來注入組成的偏置電荷回路，用來注入“胖胖”零信號，以減零信號，以減小界面態(tài)的影響，提高轉(zhuǎn)移率小界面態(tài)的影響，提高轉(zhuǎn)移率(5)輸出柵輸出柵G0：輸出柵工作在直流偏置電壓狀態(tài)，起著交流：輸出柵工作在直流偏置電壓狀態(tài)，起著交流旁路作用，用來屏蔽時鐘脈沖對輸出信號的干擾旁路作用，用來屏蔽時鐘脈沖對輸出信號的干擾(6) 輸出電路：由放大管復(fù)位管輸出二極管組成輸出電路：由放大管復(fù)位管輸出二極管組成2、工作原理：、工作原理：積分積分計數(shù)計數(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移讀出讀出傳輸傳輸二、面陣二、面陣CCD的工作原理的工作原理分行轉(zhuǎn)移和楨轉(zhuǎn)移

26、兩種結(jié)構(gòu)分行轉(zhuǎn)移和楨轉(zhuǎn)移兩種結(jié)構(gòu)水平 CCD光敏元光敏元光敏元光敏元垂直 CCD垂直 CCD垂直 CCD垂直 CCD2H1H1V2VP行行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)A1A2B1B2C1C2輸出存貯區(qū)光敏區(qū)楨楨轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)三、三、CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)1、轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移效率定義：轉(zhuǎn)移效率是指電荷包在進行每一次轉(zhuǎn)移中的效率，用定義：轉(zhuǎn)移效率是指電荷包在進行每一次轉(zhuǎn)移中的效率，用表示，剩下的表示，剩下的部分沒有被轉(zhuǎn)移，稱部分沒有被轉(zhuǎn)移，稱為失效率。為失效率。根據(jù)電荷守恒原理根據(jù)電荷守恒原理1由定義可知一電荷量為由定義可知一電荷量為 Q0的電荷包，經(jīng)過的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量

27、為荷量為nnQQ0nnQQ0總效率為總效率為0.99900 0.999500.999900.99995 0.99999Qn/Q00.12890.35910.81480.90270.9797 二相二相10241024位器件總效率隨位器件總效率隨值的變化值的變化轉(zhuǎn)移損失的起因：界面態(tài)俘獲（或體態(tài)俘獲）、電荷轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移損失的起因：界面態(tài)俘獲（或體態(tài)俘獲）、電荷轉(zhuǎn)移速度太慢、電極間隙的影響、表面復(fù)合等速度太慢、電極間隙的影響、表面復(fù)合等轉(zhuǎn)移損失的危害：轉(zhuǎn)移損失的危害： 信號的衰減信號的衰減 滯后電荷疊加到后面的信號電荷引，起傳輸失真滯后電荷疊加到后面的信號電荷引，起傳輸失真2、暗電流、暗電流 CCD成像

28、期間在既無光注入又無電注入情況下的輸出信成像期間在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱為暗電流號稱為暗電流起因：半導(dǎo)體的熱激發(fā)起因：半導(dǎo)體的熱激發(fā)危害：限制器件的低頻限危害：限制器件的低頻限 引起固定圖象噪聲引起固定圖象噪聲3、光譜響應(yīng)、光譜響應(yīng) CCD成像器件的光譜響應(yīng)范圍由光敏元的材料決定，光成像器件的光譜響應(yīng)范圍由光敏元的材料決定，光譜響應(yīng)曲線的形狀受多方面的影響，如光敏元的結(jié)構(gòu)、譜響應(yīng)曲線的形狀受多方面的影響，如光敏元的結(jié)構(gòu)、各層介質(zhì)的折射率和消光系數(shù)、各層介質(zhì)膜的厚度、入各層介質(zhì)的折射率和消光系數(shù)、各層介質(zhì)膜的厚度、入射光的入射角等。射光的入射角等。4、噪聲、噪聲 CCD的噪聲源：

29、散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲的噪聲源：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲 散粒噪聲：由于粒子的無規(guī)性，無論是光注入、電注入散粒噪聲：由于粒子的無規(guī)性，無論是光注入、電注入還是熱電子產(chǎn)生的信號電荷包的電子數(shù)總有一定的不確還是熱電子產(chǎn)生的信號電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性。定性。 轉(zhuǎn)移噪聲：其根本原因是轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)俘獲轉(zhuǎn)移噪聲：其根本原因是轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)俘獲 熱噪聲：信號電荷注入及檢出時引進的熱噪聲：信號電荷注入及檢出時引進的 8.3 其它固態(tài)成像器件其它固態(tài)成像器件一、體內(nèi)溝道電荷耦合器件一、體內(nèi)溝道電荷耦合器件二、自掃描光電二極管陣列（二、自掃描光電二極管陣列（SSPA）一、體內(nèi)溝道電荷耦合器件

30、一、體內(nèi)溝道電荷耦合器件輸入二極管輸入二極管+20VSiO2n-Sip-Sin+n+輸入二極管輸入二極管+20V圖圖8.3.18.3.1、BCCDBCCD的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖利用耗盡層工作，信息電荷為多子SCCDSCCD和和BCCDBCCD的比較的比較1、SCCD比比BCCD的信號處理能力大；的信號處理能力大；2、BCCD有較大邊緣電場和較高載流子遷移率，渡越有較大邊緣電場和較高載流子遷移率，渡越時間縮短，工作頻率上限提高；時間縮短，工作頻率上限提高；3、BCCD轉(zhuǎn)移效率高；轉(zhuǎn)移效率高；4、對于二相、對于二相BCCD，厚柵是存儲柵，薄柵是轉(zhuǎn)移柵，厚柵是存儲柵，薄柵是轉(zhuǎn)移柵，而而SCCD厚柵是轉(zhuǎn)移柵，薄柵是存儲柵；厚柵是轉(zhuǎn)移柵，薄柵是存儲柵；5、SCCD是信號電荷時少子，而是信號電荷時少子，而BCCD的信號電荷是多的信號電荷是多子。子。自掃描光電二極管陣列（自掃描光電二極管陣列（SSPA）以光電二極管代替以光電二極管代替CID中的中的MOS電電容結(jié)構(gòu)光敏元，構(gòu)成自掃描光電二容結(jié)構(gòu)光敏元，構(gòu)成自掃描光電二極管陣列（極管陣列（SSPA）K（閉合）（閉合）DCdRLVc工作過程工作過程1、準備：首先閉合、準備：首先閉合K，光電二極管充電，達到穩(wěn)定后，光電二極管充電，達到穩(wěn)定后，由于光電流