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(lèi)：電荷耦固體成象器件主要有兩大類(lèi)：電荷耦合器件合器件（charge coupled device，CCD）和自掃描光電二報(bào)管列陣和自掃描光電二報(bào)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(diǎn)。攝象器件相比，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 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(zhǎng)。功能都很低；耐沖擊性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)。 2、基本上不保留殘象，無(wú)象元燒傷扭曲現(xiàn)象，、基

2、本上不保留殘象，無(wú)象元燒傷扭曲現(xiàn)象，不受電磁干擾。不受電磁干擾。 3、對(duì)紅外也敏感，、對(duì)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(cè)量系統(tǒng)?？捎糜诓唤佑|精密尺寸測(cè)量系統(tǒng)。 5、視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易。、視頻信號(hào)與微機(jī)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(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)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(zhǎng)一層長(zhǎng)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(gè)金屬或多層，然后按一些次序沉積幾個(gè)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(gè)電板與其下面的二氧

4、化硅和個(gè)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(gè)之間形成了一個(gè)MOS電容，可以存儲(chǔ)電電容，可以存儲(chǔ)電量。量。這種器件的突出特點(diǎn)是以這種器件的突出特點(diǎn)是以電荷電荷作為信號(hào)。作為信號(hào)。兩種基本類(lèi)型兩種基本類(lèi)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(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鞑ァＣ鎮(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(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在電荷包存儲(chǔ)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(duì)于半導(dǎo)體）電容列陣組成。對(duì)于Si-CCD，絕緣體是硅的，絕緣體是硅的氧化物，常用名稱(chēng)為氧化物，常用名稱(chēng)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(fù)電）金屬電極上施加負(fù)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(guò)閾值電壓增大，超過(guò)閾值電壓Vt時(shí)時(shí)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(shì)表面勢(shì)（Vs）：以體內(nèi)的）：以體內(nèi)的Ei為零勢(shì)點(diǎn)，表面上為零勢(shì)點(diǎn)，表面上Eis相對(duì)于體內(nèi)相對(duì)于體內(nèi)Ei的勢(shì)

7、稱(chēng)為表面勢(shì)。的勢(shì)稱(chēng)為表面勢(shì)。sisiVEEq能帶向上彎曲，能帶向上彎曲，EisEi，Vs0，表面勢(shì)為負(fù)；表面勢(shì)為負(fù)；能帶向下彎曲，能帶向下彎曲， Eis0，表面勢(shì)為正。表面勢(shì)為正。對(duì)于電子而言，對(duì)于電子而言，Vs大，對(duì)應(yīng)電子深勢(shì)阱大，對(duì)應(yīng)電子深勢(shì)阱Vs小，對(duì)應(yīng)電子淺勢(shì)阱小，對(duì)應(yīng)電子淺勢(shì)阱平帶電壓平帶電壓（VFBFB）：）： 實(shí)際情況中能帶稍有彎曲，使能帶變平實(shí)際情況中能帶稍有彎曲，使能帶變平所需電壓稱(chēng)平帶電壓。所需電壓稱(chēng)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(shí)稱(chēng)為電子的濃度等于襯底的空穴濃

8、度，這時(shí)稱(chēng)為強(qiáng)反型層，此時(shí)對(duì)應(yīng)的外加電壓值為閾值電強(qiáng)反型層，此時(shí)對(duì)應(yīng)的外加電壓值為閾值電壓。壓。 2、電荷存儲(chǔ)過(guò)程、電荷存儲(chǔ)過(guò)程（b）加負(fù)偏壓EfmEiEfEcEv電荷存儲(chǔ)量VG0空間電荷區(qū)Q-Q（a）未加偏壓EfmEiEfEcEv電荷存儲(chǔ)量（c）加正偏壓EfmEiEfEcEv電荷存儲(chǔ)量Q-QVG0圖圖2 MOS電容存儲(chǔ)電荷原理圖電容存儲(chǔ)電荷原理圖（1）穩(wěn)態(tài)時(shí)）穩(wěn)態(tài)時(shí)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(shí)，未加偏壓時(shí)，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(jí)相等。（級(jí)相等。（E1 Ef）。）。 在柵極上加一定負(fù)偏壓在柵

9、極上加一定負(fù)偏壓VG（0但較?。r(shí)，表面勢(shì)為正，電但較?。r(shí)，表面勢(shì)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(shí)這時(shí)近表面處空穴被推開(kāi)，一定寬度內(nèi)留下近表面處空穴被推開(kāi)，一定寬度內(nèi)留下受主離子形成的空間電荷區(qū)，稱(chēng)多子耗受主離子形成的空間電荷區(qū)，稱(chēng)多子耗盡區(qū)。此區(qū)域?qū)﹄娮觼?lái)說(shuō)是一個(gè)勢(shì)能很盡區(qū)。此區(qū)域?qū)﹄娮觼?lái)說(shuō)是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，故也稱(chēng)低的區(qū)域，故也稱(chēng)“勢(shì)阱勢(shì)阱”，此時(shí)能夠，此時(shí)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(shí)界面上的費(fèi)帶在表面處向下彎

10、曲更厲害，此時(shí)界面上的費(fèi)米能級(jí)高于中間區(qū)域的價(jià)帶底能級(jí)米能級(jí)高于中間區(qū)域的價(jià)帶底能級(jí)EC，這表示，這表示界面處的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，形成了原界面處的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，形成了原來(lái)來(lái)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(shí)從表面型區(qū)，這時(shí)從表面開(kāi)始到開(kāi)始到EC與與E1相交點(diǎn)的一個(gè)薄層內(nèi)，變成了相交點(diǎn)的一個(gè)薄層內(nèi)，變成了N型導(dǎo)電，稱(chēng)為反型區(qū)。在反型區(qū)與型導(dǎo)電，稱(chēng)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(jìn)一步增大，使界面下電子濃進(jìn)一步增大，使界面下電子濃度等于襯底空穴濃度時(shí)稱(chēng)為強(qiáng)反型狀態(tài)。度等于襯底空穴濃度時(shí)稱(chēng)為強(qiáng)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(chǔ)電荷的功能。結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)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(chǔ)電荷、轉(zhuǎn)移電荷的基礎(chǔ)存儲(chǔ)電荷、轉(zhuǎn)移電荷的基礎(chǔ)金屬SiO2P-SiVG電子勢(shì)阱2）外加電壓（）外加電壓（VG）與表面勢(shì)（）與表面勢(shì)（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(shì)阱的深淺和三因素有關(guān)可以看出：勢(shì)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(duì)應(yīng)深勢(shì)阱；越大，對(duì)應(yīng)深勢(shì)阱；VG 越小，越小，VS 越小，對(duì)應(yīng)淺勢(shì)阱越小，對(duì)應(yīng)淺勢(shì)阱2）摻雜濃度）摻雜濃度NA NA 越大，越大，VS 越小，對(duì)應(yīng)淺勢(shì)阱；越小，對(duì)應(yīng)淺勢(shì)阱； NA 越小，越小，VS 越大，對(duì)應(yīng)深勢(shì)阱越大，對(duì)應(yīng)深勢(shì)阱3 3）氧化層厚度）氧化層厚度d d d 越大，越大，VS 越小，對(duì)應(yīng)淺勢(shì)阱；越小，對(duì)應(yīng)淺勢(shì)阱； d 越小，越小，VS 越大，對(duì)應(yīng)深勢(shì)阱越大，對(duì)應(yīng)深勢(shì)阱若勢(shì)阱中填入信號(hào)電荷若勢(shì)阱中填入信號(hào)電荷Qs，則，則oxsSAsoxSFBGCQVqNCVVV021表明：在表明：在VG一定的情況下，勢(shì)阱深度隨填入信一定的情況下，勢(shì)阱深度隨填入信號(hào)電荷線形下

13、降號(hào)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(shì)阱相互溝通，相互耦合；電容勢(shì)阱相互溝通，相互耦合；2）柵極電壓高低調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移；）柵極電壓高低調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移；3）柵極脈沖電壓必須嚴(yán)格滿足位相要求，保證信號(hào)轉(zhuǎn)）柵極脈沖電壓必須嚴(yán)格滿足位相要求，保證信號(hào)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(gè)電極保持10V，第

14、二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來(lái)在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。 若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。 CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對(duì)絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長(zhǎng)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(shí)鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系（a）按時(shí)序電荷在勢(shì)阱內(nèi)傳輸 （b）三相驅(qū)

15、動(dòng)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(shì)壘二相結(jié)構(gòu)勢(shì)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(shí)鐘波形普通四相時(shí)鐘波形（b b）雙時(shí)鐘波形）雙時(shí)鐘波形t1 t2 t3 t441321324P-SiSiO24 1 2 3 4 1t1t2t3t4(c)(c)普通時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下的勢(shì)阱長(zhǎng)度普通時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下的勢(shì)阱長(zhǎng)度（d d）雙時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下勢(shì)阱分布）雙時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下勢(shì)阱分布SiO24 1 2 3 4 1t1t2t3t4P-Si圖圖8-6 8-

16、6 四相驅(qū)動(dòng)四相驅(qū)動(dòng) 主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)輸出。 1) 輸入部分：將信號(hào)電荷引入到的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱中，稱(chēng)為電荷注入。 電荷注入的方法主要有兩類(lèi)：光注入和電注入 電注入：電注入：用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等。用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等。通過(guò)輸入二極管給輸入柵極施加電壓。通過(guò)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(jī)。用光敏元件代替用于攝像機(jī)。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(shí)，在硅片時(shí)，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(duì)，

17、其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。荷。2）電荷輸出方式 電流輸出 浮置擴(kuò)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(guò)閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱內(nèi)信號(hào)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(hào)。 為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰陣列上劃分成以幾個(gè)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(hào)電荷的以電子為信號(hào)電

18、荷的CCD稱(chēng)為稱(chēng)為N型型溝道溝道CCD，簡(jiǎn)稱(chēng)為，簡(jiǎn)稱(chēng)為N型型CCD。而以空穴。而以空穴為信號(hào)電荷的為信號(hào)電荷的CCD稱(chēng)為稱(chēng)為P型溝道型溝道CCD，簡(jiǎn)稱(chēng)為簡(jiǎn)稱(chēng)為P型型CCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn)。由于電子的遷移率遠(yuǎn)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(diǎn)1）體積小，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)。2）空間分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測(cè)量精度。3）光電靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，紅外敏感性強(qiáng)，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(cè)量系統(tǒng)。7）無(wú)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(jì)算機(jī)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(dá)到電荷轉(zhuǎn)移效率（要求達(dá)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(dòng)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(jìn)行圖象增強(qiáng)） 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(diǎn)

20、幾秒到數(shù)百秒；2t轉(zhuǎn)移時(shí)間，可到10納秒。 CCD按電荷存儲(chǔ)的位置分有兩種基本類(lèi)型按電荷存儲(chǔ)的位置分有兩種基本類(lèi)型1）電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的）電荷包存儲(chǔ)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(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)SCCD)。2）電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度）電荷包存儲(chǔ)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(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)BCCD)。7、CCD的類(lèi)型的類(lèi)型 線陣：線陣：光敏元排列為一行的稱(chēng)為線光敏元排列為一行的稱(chēng)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(chǎng)上有數(shù)十種由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場(chǎng)上有數(shù)十種型號(hào)的器件可供選用。型號(hào)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(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)不等，按照片子的尺寸不同有萬(wàn)個(gè)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(jià)格低；體積小，價(jià)格低；面面陣陣CCD: 整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；整幅圖

22、像；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣面陣CCDCCD芯片芯片8 8、CCDCCD在檢測(cè)方面的應(yīng)用在檢測(cè)方面的應(yīng)用 1、幾何量測(cè)量 2、自動(dòng)步槍激光模擬射擊系統(tǒng)。 3、光譜測(cè)量 4、光譜儀輸出信號(hào)測(cè)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(qiáng)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：?jiǎn)芜厒鬏敽碗p邊傳輸結(jié)構(gòu)有兩種：?jiǎn)芜厒鬏敽碗p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(hào)讀出電路組成器、偏置電路和信號(hào)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(gè)光敏元排成一排，光敏元為個(gè)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(kāi)，保證信號(hào)，硅表面相鄰兩光敏元之間都用溝阻隔開(kāi)，保證信號(hào)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(duì)應(yīng)，各光轉(zhuǎn)移柵一一對(duì)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(shí)現(xiàn)兩者間的電荷轉(zhuǎn)移以實(shí)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(chēng)為源）和輸入（通常稱(chēng)為源）和輸入柵柵Gi組成的偏置電荷回路，用來(lái)注入組成的偏置電荷回路，用來(lái)注入“胖胖”零信號(hào)，以減零信號(hào)，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(lái)屏蔽時(shí)鐘脈沖對(duì)輸出信號(hào)的干擾旁路作用，用來(lái)屏蔽時(shí)鐘脈沖對(duì)輸出信號(hào)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(jì)數(shù)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(méi)有被轉(zhuǎn)移，稱(chēng)部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)移，稱(chēng)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(guò)的電荷包，經(jīng)過(guò)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(hào)的衰減信號(hào)的衰減 滯后電荷疊加到后面的信號(hào)電荷引，起傳輸失真滯后電荷疊加到后面的信號(hào)電荷引，起傳輸失真2、暗電流、暗電流 CCD成像

28、期間在既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信成像期間在既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信號(hào)稱(chēng)為暗電流號(hào)稱(chēng)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(wú)規(guī)性，無(wú)論是光注入、電注入散粒噪聲：由于粒子的無(wú)規(guī)性，無(wú)論是光注入、電注入還是熱電子產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)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(hào)電荷注入及檢出時(shí)引進(jìn)的熱噪聲：信號(hào)電荷注入及檢出時(shí)引進(jìn)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(hào)處理能力大；的信號(hào)處理能力大；2、BCCD有較大邊緣電場(chǎng)和較高載流子遷移率，渡越有較大邊緣電場(chǎng)和較高載流子遷移率，渡越時(shí)間縮短，工作頻率上限提高；時(shí)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(duì)于二相、對(duì)于二相BCCD，厚柵是存儲(chǔ)柵，薄柵是轉(zhuǎn)移柵，厚柵是存儲(chǔ)柵，薄柵是轉(zhuǎn)移柵，而而SCCD厚柵是轉(zhuǎn)移柵，薄柵是存儲(chǔ)柵；厚柵是轉(zhuǎn)移柵，薄柵是存儲(chǔ)柵；5、SCCD是信號(hào)電荷時(shí)少子，而是信號(hào)電荷時(shí)少子，而B(niǎo)CCD的信號(hào)電荷是多的信號(hào)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(guò)程工作過(guò)程1、準(zhǔn)備：首先閉合、準(zhǔn)備：首先閉合K，光電二極管充電，達(dá)到穩(wěn)定后，光電二極管充電，達(dá)到穩(wěn)定后，由于光電流