CCD的原理及CCD器件

1、CCD的原理及CCD器件2.2.1 CCD的基本工作原理CCD （Charged Coupled Device,電荷耦合器件）是山一系列排得很緊密的 MOS電容器組成。它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和電荷的 轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè) !<>以下將分別從這兒個(gè)方面討論CCD器件的基本工作原理。（）MOS電容器CCD是一種固態(tài)檢測(cè)器，山多個(gè)光敬像元組成，其中每一個(gè)光敬像元就是 一個(gè)MOS電容器。但工作原理與MOS晶體管不同。CCD中的MOS電容器的 形成方法是這樣的2：在P型或N型單晶硅的襯底上用氧化的辦法生成一層厚 度約為1

2、00150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極 或多晶硅電極，在襯底和電極間加上一個(gè)偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個(gè) MOS電容器（見圖2.1）o耗盡區(qū)（c ）刪扱電壓丈于閾值電壓（3）刪極電壓為零（b ）翻扱電壓小于閾值電壓圖2.1 MOS電容器柵極電壓變化對(duì)耗盡層的影響CCD-般是以P型硅為襯底，在這種P型硅襯底中，多數(shù)載流子是空穴， 少數(shù)載流子是電子。在電極施加?xùn)艠O電壓VG之前，空穴的分布是均勻的，當(dāng)電 極相對(duì)于襯底施加正柵壓VG時(shí)，在電極下的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，當(dāng)柵壓 繼續(xù)增加，耗盡層將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸，這一耗盡層對(duì)于帶負(fù)電荷的電子而 言是一個(gè)勢(shì)能特

3、別低的區(qū)域，因此也叫做“勢(shì)阱”。在耗盡狀態(tài)時(shí)，耗盡區(qū)電子和空穴濃度與受主濃度相比是可以忽略不計(jì)的， 但如正柵壓VG進(jìn)一步增加，界面上的電子濃度將隨著表面勢(shì)成指數(shù)地增長，而 表面勢(shì)乂是隨耗盡層寬度成平方率增加的。這樣隨著表面電勢(shì)的進(jìn)一步增加，在 界面上的電子層形成反型層。而一旦出現(xiàn)反型層，MOS就認(rèn)為處于反型狀態(tài)(如 圖3-;；1所示)。顯然，反型層中電子的增加和因柵壓的增加的正電荷相平衡， 因此耗盡層的寬度兒乎不變。反型層的電子來自耗盡層的電子一空穴對(duì)的熱產(chǎn)生 過程。對(duì)于經(jīng)過很好處理的半導(dǎo)體材料，這種產(chǎn)生過程是非常緩慢的。因此在加 有直流電壓的金屬板上疊加小的交流信號(hào)時(shí)，反型層中電子數(shù)LI不會(huì)

4、因疊有交流 信號(hào)而變化。(二)電荷存儲(chǔ)當(dāng)一束光投射到MOS電容器上時(shí)，光子透過金屬電極和氧化層，進(jìn)入Si 襯底，襯底每吸收一個(gè)光子，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子一空穴對(duì)，其中的電子被吸引到 電荷反型區(qū)存儲(chǔ)。從而表明了 CCD存儲(chǔ)電荷的功能。一個(gè)CCD檢測(cè)像元的電 荷存儲(chǔ)容量決定于反型區(qū)的大小，而反型區(qū)的大小乂取決于電極的大小、柵極電 壓、絕緣層的材料和厚度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性和厚度等一些因素。QS(xlO-8C/cm2)圖2.2 給宦CCD參數(shù)時(shí)表而勢(shì)VS與電荷QS的關(guān)系圖2.2表示了 Si-SiO2的表面電勢(shì)VS與存儲(chǔ)電荷QS的關(guān)系。曲線的直線性 好，說明兩者之間有良好的反比例線性關(guān)系，這種線性關(guān)系很容

5、易用半導(dǎo)體物理 中“勢(shì)阱”的概念來描述。電子所以被加有柵極電壓VG的MOS結(jié)構(gòu)吸引到 Si-SiO2的交接面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。在沒有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深 度”與電極電壓的關(guān)系恰如表面勢(shì)VS與電荷QS的線性關(guān)系，如圖2.3(a)所示。I：II穴m器 tf AJATCQ©0 iffiQ CD©0®2V 10V 2V 2V 2V J.&V 2-*tdV 2V 2V 10V 10V 2V liil丄i丄丄ill丄")G> © ®2V心的“V劉S:1111 nil圖2.4 三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程通過將一定規(guī)則變化的

6、電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半 導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把CCD電極分為兒組，每一組稱為一相，并施 加同樣的時(shí)鐘脈沖。CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需的相數(shù)。圖3 所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，其波形圖如圖3 (f)所示，這樣的CCD稱 為三相CCDo三相CCD的電荷耦合(傳輸)方式必須在三相交迭脈沖的作用下 才能以一定的方向，逐個(gè)單元的轉(zhuǎn)移。另外必須強(qiáng)調(diào)指出的是，CCD電極間隙 必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。這對(duì)于圖3T 所示的電極結(jié)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵問題。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢(shì)阱將 被勢(shì)壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個(gè)電極向另一

7、個(gè)電極轉(zhuǎn)移。CCD便不 能在外部時(shí)鐘脈沖的作用下正常工作。2.4電荷的注入和檢測(cè)CCD中的信號(hào)電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。光注入就是當(dāng) 光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，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(shì)阱中形成信號(hào)電荷。而所謂電注入, 就是CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為 信號(hào)電荷。在此僅討論與本課題有關(guān)的光注入法。CCD利用光電轉(zhuǎn)換功能將投射到CCD上面的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)“圖 像”，即電荷量與當(dāng)?shù)卣斩却笾鲁烧鹊拇笮〔坏鹊碾姾砂臻g分布，然后利用 移位寄存功能將這些電荷包“自掃描”到同一個(gè)輸出端，

8、形成幅度不等的實(shí)時(shí)脈沖 序列。其中光電轉(zhuǎn)換功能的物理基礎(chǔ)是半導(dǎo)體的光吸收。當(dāng)電磁輻射投射到半導(dǎo) 體上面時(shí)，電磁輻射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半導(dǎo)體吸收。所 謂半導(dǎo)體光吸收，就是電子吸收光子并從一個(gè)能態(tài)躍遷到另一個(gè)較高能級(jí)的過 程。我們這里將要涉及到的是價(jià)帶電子越過禁帶到導(dǎo)帶的躍遷，和局域雜質(zhì)或缺 陷周圍的束縛電子（或空穴）到導(dǎo)帶（獲價(jià)帶）的躍遷。他們分別稱為本征吸收 和非本征吸收。CCD利用處于表面深耗盡狀態(tài)的一系列MOS電容器（稱為感光 單元或光敬單元）收集光產(chǎn)生的少數(shù)載流子。這些收集勢(shì)阱是相互隔離的。山此 可見，光轉(zhuǎn)換成電的過程實(shí)際上還包括對(duì)空間連續(xù)的光強(qiáng)分布進(jìn)行空間上分離的

9、采樣過程。另外，襯底每吸收一個(gè)光子，反型區(qū)中就多一個(gè)電子，這種光子數(shù)目 與存儲(chǔ)電荷的定量關(guān)系正是CCD檢測(cè)器用于對(duì)光信號(hào)作定量分析的依據(jù)。轉(zhuǎn)移到CCD輸出端的信號(hào)電荷在輸出電路上實(shí)現(xiàn)電荷/電壓（電流）的線性 變換，稱之為電荷檢測(cè)。從應(yīng)用角度對(duì)電荷檢測(cè)提出的要求是檢測(cè)的線性、檢測(cè) 的增益和檢測(cè)引起的噪聲。針對(duì)不同的使用要求，有兒種常用的檢測(cè)電路，如柵 電容電荷積分器、差動(dòng)電路積分器以及帶浮置柵和分布浮置柵放大器的輸出電 路。這里就不一一敘述了。2.5 CCD的光譜分析特性2.5.1電荷轉(zhuǎn)移效率（CTE）CCD以電荷作為信號(hào)，所以電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)移效率就成為其最重要的性能之 一。把一次轉(zhuǎn)移之后，到達(dá)下

10、一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來勢(shì)阱中的電荷之比稱為電 荷轉(zhuǎn)移效率。好的CCD具有極高的電荷轉(zhuǎn)移效率，一般可達(dá)0.9999953,所以 電荷在多次轉(zhuǎn)移過程中的損失可以忽略不計(jì)。例如，一個(gè)有2048像元的CCD, 其信號(hào)電荷的總的電荷轉(zhuǎn)移效率為0.9999952048,即0.9898,損失率只有約0.1%。2.5.2量子效率（QE）圖35比較了典型的PMT （光電倍增管）、PDA （光電二極管陣列）、CID（電荷注入器件）和CCD的量子效率?？梢?，CCD的量子效率大大優(yōu)于PDA 和CID,在400700nm波段優(yōu)于PMT。但是，不同廠商制造的CCD在兒何尺 寸、制造方法、材料上有所不同，結(jié)果它們的QE差別

11、較大。如有的CCD只在 350900nm波段的QE達(dá)10%以上，有的CCD在200lOOOnm波段都有很高的量子效率。造成QE下降的主要原因是CCD結(jié)構(gòu)中的多晶硅電極或絕緣層把 光子吸收了，尤其是對(duì)紫外部分的光吸收較多，這部分光子不產(chǎn)生光生電荷。許 多線陣CCD對(duì)紫外光的響應(yīng)較差就是這個(gè)原因。采用化學(xué)蝕刻將硅片減薄和背 部照射方式，可以減少山吸收導(dǎo)致的量子效率損失。背部照射減薄的CCD在真 空紫外區(qū)的工作極限可達(dá)ioooA。圖2.5常用固態(tài)光譜檢測(cè)器量子效率對(duì)比A100 -CCD童千效率%2.5.3暗電流CCD在低溫工作時(shí)，暗電流非常低，暗電流是山熱生電荷載流子引起的，冷 卻會(huì)使熱生電荷的生成

12、速率大為降低3。但是CCD的冷卻溫度不能太低，因?yàn)?光生電荷從各檢測(cè)元遷移到放大器的輸出節(jié)點(diǎn)的能力隨溫度的下降而降低。制冷 到150K的CCD暗電流小于0.001個(gè)電子/檢測(cè)元/秒。2.5.4動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圉DR的定義為:DR = Vdrk(3. 1)其中V何為飽和輸出電壓，V附為有效像元的平均暗電流輸出電壓。在正常工作條 件下，CCD檢測(cè)器的所有像元經(jīng)歷同時(shí)曝光，式（3.1）表示的是單個(gè)檢測(cè)像元 的動(dòng)態(tài)范圉，即簡單動(dòng)態(tài)范CCD的簡單動(dòng)態(tài)范圍非常大，寬達(dá)10個(gè)數(shù)量級(jí)。 以7500A;的紅光光子為例，CCD可在1毫秒積分時(shí)間內(nèi)對(duì)光強(qiáng)達(dá)每秒5X109 個(gè)光子的光束響應(yīng)。可以對(duì)每秒7X10-2個(gè)光子

13、的光源響應(yīng)。而且在整個(gè)動(dòng)態(tài)范 圍響應(yīng)內(nèi)，都能保持線性響應(yīng)。這一特性對(duì)光譜的定量分析具有特別的意義。但在一些光譜分析中，如AES （原子發(fā)射光譜）中，實(shí)際的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)不到 那么大的值。一種擴(kuò)展CCD動(dòng)態(tài)范圍的方法是根據(jù)光的強(qiáng)弱改變每次測(cè)量的積分 時(shí)間7, 8。強(qiáng)信號(hào)釆用短的積分時(shí)間，弱信號(hào)采用長的積分時(shí)間。這種方法測(cè) 量強(qiáng)信號(hào)旁的弱信號(hào)非常不利，存在Blooming （溢出）的問題，特別是對(duì)于AES。 通過改進(jìn)CCD制作工藝生產(chǎn)出來的性能優(yōu)秀的CCD已在不同程度上解決了這個(gè)問 題。2.6 CCD原理及成像分析電荷藕合器件圖像傳感器CCD （Charge Coupled Device）,它使用一種

14、舟感 光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后山相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置碩盤卡保存，因而 可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給訃算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和 想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以白萬像素為單位。當(dāng)CCD 表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所 產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。圖2.6 CCD外觀及引線CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對(duì)視覺的工作方式。只不過，人 眼的視網(wǎng)膜是山負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視 覺感應(yīng)。CCD經(jīng)過長

15、達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是III 一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩 陣所組成。目前有能力生產(chǎn)CCD的公司分別為:SONY、Philips> Kodak> Matsushita> Fuji和Sharp,大半是日本丿商。U前主要有兩種類型的CCD光敬元件，分別是線性CCD和矩陣性CCDo 線性CCD用于高分辨率的靜態(tài)照相機(jī)，它每次只拍攝圖象的一條線，這與平板 掃描儀掃描照片的方法相同。這種CCD精度高，速度慢，無法用來拍攝移動(dòng)的 物體，也無法使用閃光燈。矩陣式CCD,它的每一個(gè)光敏元件代表圖象中的一個(gè)像素，當(dāng)快門打

16、開時(shí), 整個(gè)圖象一次同時(shí)曝光。通常矩陣式CCD用來處理色彩的方法有兩種。一種是 將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。典型的有 G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。 在記錄照片的過程中，相機(jī)內(nèi)部的微處理器從每個(gè)像素獲得信號(hào)，將相鄰的四個(gè) 點(diǎn)合成為一個(gè)像素點(diǎn)。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運(yùn)算地非?？?。這就是 大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)CCD的成像原理。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成，其中包含著數(shù)學(xué)計(jì)算， 因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無法達(dá)到如刀刻般的銳利。locePhrt圖2.7 CCD像素矩陣分布2.7 CCD成像分析光線透過鏡頭照射到CC

17、D上，并被轉(zhuǎn)換成電荷，每個(gè)元件上的電荷量取決 于它所受到的光照強(qiáng)度。當(dāng)你按動(dòng)快門，CCD將各個(gè)元件的信息傳送到模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器上，模擬電信號(hào)經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后變成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)以一定格 式壓縮后存入緩存內(nèi)，此時(shí)一張數(shù)碼照片誕生了。然后圖像數(shù)據(jù)根據(jù)不同的需要 以數(shù)字信號(hào)和視頻信號(hào)的方式輸出?？谇爸饕袃煞N類型的CCD光敬元件，分 別是線性CCD和矩陣性CCDo線性CCD用于高分辨率的靜態(tài)照相機(jī)，它每次 只拍攝圖象的一條線，這與平板掃描儀掃描照片的方法相同。這種CCD精度高, 速度慢，無法用來拍攝移動(dòng)的物體，也無法使用閃光燈。因此在很多場(chǎng)合不適用， 不在今天我們討論的范圍里。另一種是矩陣式C

18、CD,它的每一個(gè)光敬元件代表圖象中的一個(gè)像素，當(dāng)快 門打開時(shí)，整個(gè)圖象一次同時(shí)曝光。通常矩陣式CCD用來處理色彩的方法有兩 種。一種是將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。典 型的有G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。這兩種排列方式成像的原理都是一 樣的。在記錄照片的過程中，相機(jī)內(nèi)部的微處理器從每個(gè)像素獲得信號(hào)，將相鄰 的四個(gè)點(diǎn)合成為一個(gè)像素點(diǎn)。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運(yùn)算地非常快。這就是大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)CCD的成像原理。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成，其中包含著 數(shù)學(xué)訃算，因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無法達(dá)到如刀刻般的 銳利。另一種處理方法是使用三棱鏡，他將從

19、鏡頭射入的光分成三束，每束光都 由不同的內(nèi)置光柵來過濾出某一種三原色，然后使用三塊CCD分別感光。這些 圖象再合成出一個(gè)高分辨率、色彩精確的圖象。如300萬像素的相機(jī)就是山三塊 300萬像素的CCD來感光。也就是可以做到同點(diǎn)合成，因此拍攝的照片清晰度 相當(dāng)高。該方法的主要困難在于其中包含的數(shù)據(jù)太多。在你照下一張照片前，必 須將存儲(chǔ)在相機(jī)的緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清除并存盤。因此這類相機(jī)對(duì)其他部件的要求 非常高，其價(jià)格自然也非常昂貴。1.00.90.8070.6050.40.3020.10£f !:7/、1|在IR淹波下在沒肓IR慮波下600700800900100011001200波長(nm)

20、400500圖2.8 CCD光譜成像曲線SUPER CCD是由富士公司獨(dú)家推出的，它并沒有采用常規(guī)正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果是可以縮小對(duì)圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動(dòng)態(tài)范圉都有所提高。富士公司宣稱，SUPER CCD可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于ISO 800的高感度，信噪比比以往增加30左右，顏色的再現(xiàn)也大幅改善，電量消耗減少了許多。富士公司宣稱SUPER CCD可與多40%像素的傳統(tǒng)CCD的分辨率相媲美,SUPRECCD打破了以往CCD有效像素小于總像素的金科玉律，可以在240萬像素的SUPER CCD上輸出430萬像素的畫面來。因此，富士公司和他們的SUPER CCD 一推出即在業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注。2832圖素碾00961280圖素圖2.8 CCD色調(diào)廉理圖在傳統(tǒng)CCD±為了增加分辨率，大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)廠商對(duì)民用級(jí)產(chǎn)品釆 取的辦法是不增大CCD尺寸，降低單位像素面積，增加像素密度。我們知道單 位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動(dòng)態(tài)范圍越窄。因此這種方八邊形像素法不能無限制地增大分辨率。如果不增加CCD面積而一味地提