CCD圖像感器第講

1、突出特點(diǎn):以電荷為信號(hào)的載體；工作過程：信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測(cè)；基本類型：表面溝道CCD(SCCD)-電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體和 n 絕緣體之間的界面，并沿界面轉(zhuǎn)移；n 體溝道CCD(BCCD)-電荷包存儲(chǔ)在距離半導(dǎo)體 n 表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一n 定方向轉(zhuǎn)移； 4.1 電荷存儲(chǔ)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS( Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體)；CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）CCD是Charge-coupled Device（電荷耦合元件）P型半導(dǎo)體中雜質(zhì)為

2、周期表中第族的元素，空穴為多數(shù)載流子。4.1 電荷存儲(chǔ) 緊密地排列在半導(dǎo)體氧化層表面上的金屬電極能夠存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷。4.1 電荷存儲(chǔ) 4.1 電荷存儲(chǔ) l隨著電壓的增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸；lUG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比；4.1 電荷存儲(chǔ) l表面勢(shì)隨著柵極電壓的增高而增高；l氧化層的厚度約薄，曲線的直線性越好；l表面勢(shì)表征了耗盡區(qū)的深度；4.1 電荷存儲(chǔ) l表面勢(shì)隨反型層電荷密度的增加而線性減??；l半導(dǎo)體與氧化層的交界處勢(shì)能最低，吸引電子；構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)；緊密地排列在半導(dǎo)體氧化層表面上的金屬電極能夠存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷。4.1 電荷存儲(chǔ) 4.

3、1 電荷存儲(chǔ) 勢(shì)阱中電荷的存儲(chǔ)容量：n Q=COXUG 電荷耦合即電荷轉(zhuǎn)移；通過將按一定規(guī)律變化的電壓加到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分為幾組，每一組稱為一相，并施加相同的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖。4.2 電荷耦合 4.2 電荷耦合 l三相CCD的電荷在三相交疊驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移；lCCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。4.2 電荷耦合 以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為N型CCD；以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為P型CCD；N型CCD比P型CCD的工作頻率高很多。電

4、子的遷移率（單位場(chǎng)強(qiáng)下電子的運(yùn)動(dòng)速度）遠(yuǎn)大于空穴的遷移率4.2 電荷耦合 CCD電極的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)包括轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入單元結(jié)構(gòu)和信號(hào)檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)；CCD轉(zhuǎn)移電極的結(jié)構(gòu)很多；必須滿足使電荷定向轉(zhuǎn)移和相鄰勢(shì)阱耦合的基本要求。4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) n三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 光學(xué)系統(tǒng)CCD2三相電阻海結(jié)構(gòu) 4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 被測(cè)物光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)1重疊部分階梯狀氧化物結(jié)構(gòu) 4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 四相CCD4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 模擬信號(hào)體溝道CCD4

5、.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 表面溝道CCD的信號(hào)電荷只在貼近界面的極薄襯底內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由于界面處存在陷阱，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移過程中將受到影響，從而降低了器件的工作速度和轉(zhuǎn)移效率；體溝道CCD在半導(dǎo)體體內(nèi)設(shè)置信號(hào)的轉(zhuǎn)移溝道，減輕或避免了上述問題。體溝道CCD4.3 CCD的電極結(jié)構(gòu) 原理：4.4 電荷的注入和檢測(cè)光注入當(dāng)光照射到CCD的硅片上，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，多數(shù)載流子被柵極電壓排斥，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時(shí)間。 4.4 電荷的注入和檢測(cè)光注入注入時(shí)間tc由CC

6、D驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖的周期決定；注入到CCD勢(shì)阱中的信號(hào)電荷只與入射光的光子流速率Neo成正比；另外，入射光的光子流速率與光譜輻射通量成正比。4.4 電荷的注入和檢測(cè)光注入n 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，然后將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷注入到相應(yīng)的勢(shì)阱中。 4.4 電荷的注入和檢測(cè)電注入N+擴(kuò)散區(qū)和P型襯底構(gòu)成注入二極管；IG為CCD的輸入柵，其上加適當(dāng)?shù)恼妷海员３珠_啟作為基準(zhǔn)電壓；模擬輸入信號(hào)Uin加在輸入二極管ID上。4.4 電荷的注入和檢測(cè)電注入電壓注入法與電流注入法不同之處在于輸入電極上加有與CR2同位相的選通脈沖，但其寬度小于CR2的脈寬；在選通脈沖

7、的作用下，電荷被注入到第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵CR2的勢(shì)阱中，直到勢(shì)阱的電位與N區(qū)的電位相等；CR2下勢(shì)阱中的電荷向下一級(jí)轉(zhuǎn)移之前，由于選通脈沖已經(jīng)截至，輸入柵下的勢(shì)壘開始把CR2下和N+的勢(shì)阱分開。4.4 電荷的注入和檢測(cè)電注入CCD在信號(hào)轉(zhuǎn)移過程中與時(shí)鐘信號(hào)沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免；選擇合適的輸出電路，盡可能地減小時(shí)鐘脈沖對(duì)輸出信號(hào)的容性干擾；目前CCD主要采用電流輸出方式的電路。4.4 電荷的注入和檢測(cè)電荷的檢測(cè)由檢測(cè)二極管、二極管的偏置電阻R、源極輸出放大器和復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管VR等單元構(gòu)成；信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)移到最末一級(jí)轉(zhuǎn)移電極CR2中；當(dāng)CR2電極上的電壓由高變低時(shí)，信號(hào)電荷

8、便通過輸出柵下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管中。VR4.4 電荷的注入和檢測(cè)電荷的檢測(cè)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，它對(duì)于電子來說相當(dāng)于一個(gè)很深的勢(shì)阱；進(jìn)入方向偏置二極管中的電荷，將產(chǎn)生電流Id；Id的大小與注入二極管中的信號(hào)電荷量QS成正比，而與R成反比。Qs=IddtVR4.4 電荷的注入和檢測(cè)電荷的檢測(cè)Id越大，A點(diǎn)電位下降得越低；可以用A點(diǎn)的電位來檢測(cè)注入到輸出二極管中的電荷Qs；隔直電容將A點(diǎn)的電位變化取出，使其通過場(chǎng)效應(yīng)放大器的OS端輸出。VR4.4 電荷的注入和檢測(cè)電荷的檢測(cè)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管VR用于對(duì)檢測(cè)二極管的深勢(shì)阱進(jìn)行復(fù)位；電阻R的大小對(duì)于檢測(cè)的影響

9、；復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管在復(fù)位脈沖RS的作用下使復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，它導(dǎo)通的動(dòng)態(tài)電阻遠(yuǎn)小于偏置電阻的阻值，以便使輸出二極管中的剩余電荷通過場(chǎng)效應(yīng)管流入電源，使A點(diǎn)的電位恢復(fù)到起始的高電平，為接收新的信號(hào)電荷做好準(zhǔn)備。VR4.4 電荷的注入和檢測(cè)電荷的檢測(cè)電荷轉(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勢(shì)阱中的電荷量之比。 電荷轉(zhuǎn)移損失率為 電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為 Q(0)為起始時(shí)注入某電極下的電荷量；Q(t)為在時(shí)間t時(shí)被留下來的電荷。4.5 CCD的特性參數(shù)電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率n 1.驅(qū)動(dòng)頻率的下限 電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t ，少數(shù)載流子的平均壽命為 ；在信號(hào)的轉(zhuǎn)移

10、過程中，為了避免由于熱激發(fā)少數(shù)載流子而對(duì)注入信號(hào)電荷的干擾，注入信號(hào)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命 ；所以： 工作溫度越高，熱激發(fā)少數(shù)載流子的平均壽命越短，驅(qū)動(dòng)頻率的下限越高。 4.5 CCD的特性參數(shù)驅(qū)動(dòng)頻率電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間為g ；電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t應(yīng)大于g；所以：電荷自身的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率上限有限制。lN溝道CCD比P溝道CCD的工作頻率高；l體溝道CCD的驅(qū)動(dòng)頻率要高于表面溝道CCD的驅(qū)動(dòng)頻率；l驅(qū)動(dòng)頻率上限已經(jīng)有了很大的提高，為CCD在高速成像系統(tǒng)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。4.5 CCD的特性參數(shù)驅(qū)動(dòng)頻

11、率2.驅(qū)動(dòng)頻率的上限存儲(chǔ)于CCD的像敏單元中信號(hào)電荷包是由入射光子被硅襯底材料吸收，并被轉(zhuǎn)換成少數(shù)載流子（反型層電荷）形成的，因此，它具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。所以，光電轉(zhuǎn)換特性是線性的。4.6 電荷耦合攝像器件光電轉(zhuǎn)換特性CCD接收光的方式有正面光照和背面光照兩種；正面有很多電極，其反射、散射和吸收作用使得正面照射的光譜靈敏度比背面照射時(shí)低；所以，背面光照方式比正面光照的光譜響應(yīng)要好得多。4.6 電荷耦合攝像器件光譜響應(yīng)(1)勢(shì)阱可存儲(chǔ)的最大信號(hào)電荷量 QCoxUGA (2) 噪聲 光子噪聲 電流噪聲 胖零噪聲俘獲噪聲 輸出噪聲動(dòng)態(tài)范圍定義為像敏單元的勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲決定的最小電

12、荷量之比。4.6 電荷耦合攝像器件動(dòng)態(tài)范圍水平分辨率要高于垂直分辨率。現(xiàn)在面陣CCD的像元數(shù)已為795596，l0241024，20482048，53205320等，分辨率越來越高。 4.6 電荷耦合攝像器件分辨率電荷耦合攝像器件就是用于攝像或像敏的CCD，又簡(jiǎn)稱為ICCD,它的功能是把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維以時(shí)間為自變量的視頻輸出信號(hào)。線型器件，它可以直接將接收到的一維光信息轉(zhuǎn)換成時(shí)序的電信號(hào)輸出，獲得一維的圖像信號(hào)。面陣CCD是二維的圖像傳感器，它可以直接將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出。4.6 電荷耦合攝像器件工作原理由光敏陣列、轉(zhuǎn)移柵、CCD模擬移位寄存器和輸出放大器等單元構(gòu)成；光

13、敏陣列一般由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管構(gòu)成；光敏陣列和CCD模擬移位寄存器之間通過轉(zhuǎn)移柵相連，轉(zhuǎn)移柵既可以將光敏區(qū)與模擬移位寄存器分割開，也可以將其溝通；4.6 電荷耦合攝像器件線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.單溝道線陣CCD 4.6 電荷耦合攝像器件線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.單溝道線陣CCD 轉(zhuǎn)移柵為低電平，光敏單元與移位寄存器隔離，光敏區(qū)進(jìn)行光電注入（光積分）；轉(zhuǎn)移柵電極電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，光敏區(qū)積累的電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中；轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑莆患拇嫫髟隍?qū)動(dòng)脈沖的作用下，將信號(hào)電荷一位位地移出器件，并經(jīng)放大形成時(shí)序信號(hào)（視頻信號(hào)）。4.6 電荷耦合攝像器件

14、線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.單溝道線陣CCD 特點(diǎn)：轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低、調(diào)制轉(zhuǎn)遞函數(shù)MTF較差，只適用于相敏單元較少的攝像器件。具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B；雙溝道線陣CCD要比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，轉(zhuǎn)移時(shí)間縮短一半；特點(diǎn)：總轉(zhuǎn)移效率大大提高； 兩個(gè)移位寄存器和兩個(gè)輸出放大器參數(shù)不可能完全一致造成奇偶輸出信號(hào)的不均勻性；4.6 電荷耦合攝像器件線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.雙溝道線陣CCD 按照一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及其移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面陣CCD；按照排列方式的不同，面陣CCD分為幀轉(zhuǎn)移方式、隔列轉(zhuǎn)移方式、線轉(zhuǎn)移方式和全幀轉(zhuǎn)移方式等。4.6 電荷耦合攝像器件面陣CCDl由成像區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成；l成像區(qū)由并行排列的若干個(gè)電荷耦合溝道組成，各溝道之間用溝阻隔開，水平電極橫貫各溝道；l暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)都與成像區(qū)相同，只不過均被金屬鋁遮蔽。4.6 電荷耦合攝像器件面陣CCD1.幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 在場(chǎng)正程期間，成像區(qū)某一相電極為高電平，電荷被收集到這些電極下方的勢(shì)阱中；光積分周期