83電荷耦合器件CCD

1、18-3 電荷耦合器件 人們獲取的信息量的絕大部分都是通過(guò)得到的，為此獲得性能良好的固態(tài)化固態(tài)化第8章 固態(tài)傳感器28-3 電荷耦合器件維拉維拉博伊爾博伊爾(Willard S. (Willard S. Boyle)Boyle)和喬治和喬治史密斯（史密斯（George E. SmithGeorge E. Smith）第8章 固態(tài)傳感器38-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器48-3 電荷耦合器件(C）說(shuō)明：CCD并不是一種新發(fā)明的器件，是。在，CCD能夠使。第8章 固態(tài)傳感器5MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的CCDCCD光敏元顯微照片光敏元顯微照片CCDCCD讀出

2、移位寄存器的數(shù)讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片據(jù)面顯微照片第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件6彩色彩色CCDCCD顯微照片（放大顯微照片（放大70007000倍）倍）第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件7 作為作為CCDCCD的基本單元的基本單元MOSMOS電容器的電容器的結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖1 1所示。在硅片上通過(guò)氧所示。在硅片上通過(guò)氧化生成一層化生成一層SiOSiO2 2為絕緣層為絕緣層(0.1m)(0.1m)，再，再蒸鍍一層小面積蒸鍍一層小面積金屬金屬作為電極，稱(chēng)作為電極，稱(chēng)柵柵極極，半導(dǎo)體硅半導(dǎo)體硅( (以以P P型硅為例）作為型硅為例）作為，又稱(chēng)，又稱(chēng)。( (電容器間隔電容器間隔1m

3、)1m)第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件8 半導(dǎo)體物理學(xué)知識(shí)告訴我們，可在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，故半導(dǎo)體載流子有帶負(fù)電荷的電子，也有帶正電荷的空穴。，為多數(shù)載流子，電子濃度少，為少數(shù)載流子，N型半導(dǎo)體則相反。 ，光越強(qiáng)，電子光越強(qiáng)，電子- -空穴對(duì)越多空穴對(duì)越多，這樣光的強(qiáng)弱就與電子-空穴對(duì)的數(shù)量對(duì)應(yīng)起來(lái)，了，。第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件98-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器10帶負(fù)電的耗盡帶負(fù)電的耗盡層層8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器11表面勢(shì)表面勢(shì)很高8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器12必須注意的問(wèn)題必須注意的問(wèn)題圖3 柵極電壓大于閥值電壓8-3 電荷

4、耦合器件第8章 固態(tài)傳感器138-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器uG10V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢(shì)阱填充1/3勢(shì)阱全滿(mǎn)勢(shì)阱148-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器15 CCD的基本功能是具有存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷的能力，故又稱(chēng)它為。實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移條件：首先，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換，以致相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互，即相互。通常相鄰MOS電容電極間隙必須小于3m，甚至小至0.2 m以下。其次，根據(jù)加在MOS電容上的電壓越高，產(chǎn)生的勢(shì)阱越深的原理，使信號(hào)電荷由的地方。第三，在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照。8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器16第8章 固態(tài)傳感器在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移

5、（右移）條件： 8-3 電荷耦合器件17第8章 固態(tài)傳感器為了實(shí)現(xiàn)這種定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱(chēng)為一位；將每一位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同的電極上，此共同電極稱(chēng)為相線。舉例：把MOS線列電容劃分成相鄰三個(gè)MOS為一單元，其中第1、4、7電容的柵極連接在同一根相線上，第2、5、8連接到第二個(gè)共同相線，第3、6、9則連接到第三個(gè)共同相線。 8-3 電荷耦合器件18第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件19第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件臺(tái)階氧化層二相結(jié)構(gòu)臺(tái)階氧化層二相結(jié)構(gòu)20第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件2

6、1第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件22第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件23第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件重復(fù)上述類(lèi)似過(guò)程重復(fù)上述類(lèi)似過(guò)程24第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件25第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件26第8章 固態(tài)傳感器復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管T T1 1、放大場(chǎng)效應(yīng)管、放大場(chǎng)效應(yīng)管T T2 28-3 電荷耦合器件27第8章 固態(tài)傳感器輸出二極管的輸出二極管的N N型區(qū)域型區(qū)域浮置擴(kuò)散層浮置擴(kuò)散層8-3 電荷耦合器件285、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 為了全面評(píng)價(jià)CCD圖像器件的性能及應(yīng)用的需要，制定了下列特性參數(shù)：轉(zhuǎn)移效率、不均勻度、暗電流、響應(yīng)率、

7、光譜響應(yīng)、噪聲、動(dòng)態(tài)范圍及線性度、調(diào)制傳遞函數(shù)、功耗及分辨能力等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)特性參數(shù)的要求也各不相同?，F(xiàn)把主要特性參數(shù)分述如下。第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件29第8章 固態(tài)傳感器5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) CCD中電荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到另一個(gè)勢(shì)阱時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗。假設(shè)原始電荷量為Q0，在一次轉(zhuǎn)移中，有Q1的電荷正確轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱，則轉(zhuǎn)移效率定義為 (8-50)轉(zhuǎn)移損耗(或稱(chēng)失效率)為 =1- (8-51) 當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移N個(gè)電極后的電荷量為QN時(shí)，則總效率為 (8-52) 10QQ0(1- )NNNQQ8-3 電荷耦合器件30第8章 固態(tài)傳感器轉(zhuǎn)移效率對(duì)CCD的各種應(yīng)用都十

8、分重要。假設(shè)轉(zhuǎn)移效率為99%，則經(jīng)過(guò)100個(gè)電極傳遞后，將僅剩下37%的電荷。（即： =99%，100=37%）而在實(shí)際的CCD應(yīng)用中：（ =99.999%，1000=99.0%）8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù)31第8章 固態(tài)傳感器轉(zhuǎn)移效率與表面態(tài)有關(guān):信號(hào)電荷沿表面?zhèn)鬏?，受界面態(tài)的俘獲，轉(zhuǎn)移效率最高只能達(dá)99.99%。信號(hào)電荷沿體內(nèi)傳輸，避開(kāi)了界面態(tài)影響，最高轉(zhuǎn)移效率可達(dá)99.999%，甚至99.999 9%。 為了減小俘獲損耗，CCD可以采用所謂“胖零”的工作方式，即在，讓它填充陷阱能級(jí)，以減小信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移損失。一般“胖零”背景電荷為滿(mǎn)阱電荷的時(shí)可獲得較好的效果。第8

9、章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù)32第8章 固態(tài)傳感器注意：轉(zhuǎn)移損失，而是損失的那部分信號(hào)電荷在。因此，轉(zhuǎn)移損失所帶來(lái)的后果，不僅僅是信號(hào)的，更有害的是滯后的那部分電荷，疊加到后面的信號(hào)電荷包中，引起信號(hào)的。8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù)33第8章 固態(tài)傳感器 CCD圖像器件在情況下的輸出信號(hào)稱(chēng)為暗電流。 暗電流的根本起因在于半導(dǎo)體的熱激發(fā)半導(dǎo)體的熱激發(fā)。首先是由于；其次是耗盡區(qū)邊緣的少數(shù)載流子(電子)熱擴(kuò)散。 由于等因素影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。所以，通常以來(lái)表征暗電流大小。一般CCD的平均暗電流密度為。8-3 電荷耦合器件

10、5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù)34第8章 固態(tài)傳感器 暗電流的產(chǎn)生需要一定的時(shí)間，勢(shì)阱存在時(shí)間越長(zhǎng)，暗電流的產(chǎn)生需要一定的時(shí)間，勢(shì)阱存在時(shí)間越長(zhǎng)，暗電流也越大。為了減小暗電流，應(yīng)盡量縮短信號(hào)電荷暗電流也越大。為了減小暗電流，應(yīng)盡量縮短信號(hào)電荷的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)移時(shí)間。的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)移時(shí)間。因此，暗電流的存在，限制了因此，暗電流的存在，限制了CCDCCD驅(qū)驅(qū)動(dòng)頻率的下限動(dòng)頻率的下限。 另外，光敏區(qū)的暗電流也與光信號(hào)電荷一樣，在各另外，光敏區(qū)的暗電流也與光信號(hào)電荷一樣，在各種種，形成一個(gè)，形成一個(gè)暗信號(hào)圖像暗信號(hào)圖像，疊加到光信，疊加到光信號(hào)圖像上，引起號(hào)圖像上，引起。尤其當(dāng)器件存在個(gè)別暗。尤其當(dāng)器件存在個(gè)別

11、暗電流尖峰時(shí)，將在一幅清晰完整的圖像上產(chǎn)生某些電流尖峰時(shí)，將在一幅清晰完整的圖像上產(chǎn)生某些“亮亮條條”或或“亮點(diǎn)亮點(diǎn)”。8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù)35第8章 固態(tài)傳感器 光子的散粒噪聲是CCD圖像器件固有的。它，決定了器件的。但它不會(huì)限制器件的動(dòng)態(tài)范圍。8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)5.3 CCD5.3 CCD的噪聲源的噪聲源36第8章 固態(tài)傳感器 是引起轉(zhuǎn)移噪聲的根本原因。轉(zhuǎn)移噪聲具有和兩個(gè)特點(diǎn)。 所謂積累性是指轉(zhuǎn)移噪聲在。 所謂相關(guān)性是指。8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參

12、數(shù)5.3 CCD5.3 CCD的噪聲源的噪聲源37第8章 固態(tài)傳感器（3 3）熱噪聲）熱噪聲 它它是信號(hào)是信號(hào)及及時(shí)產(chǎn)生的。信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的。信號(hào)電荷注入回路及信號(hào)電荷檢出時(shí)的復(fù)位回路均可等電荷注入回路及信號(hào)電荷檢出時(shí)的復(fù)位回路均可等效為效為，從而造成，從而造成熱噪聲。熱噪聲。 8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)5.3 CCD5.3 CCD的噪聲源的噪聲源38第8章 固態(tài)傳感器（3 3）熱噪聲）熱噪聲：在實(shí)際使用中，由于器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，或驅(qū)動(dòng)電路性能差，從而使驅(qū)動(dòng)脈沖噪聲大大增加。另外，“胖零”電荷注入及信號(hào)電荷檢出所引起的噪聲，也會(huì)因電路性能差，

13、而遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值，這些因素往往決定了器件的噪聲限。再有，因的“固定圖像噪聲”往往成為器件的噪聲限，尤其在較高時(shí)更為嚴(yán)重。因?yàn)樵谑覝馗浇?，溫度每增? ，暗電流增加一倍。 8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)5.3 CCD5.3 CCD的噪聲源的噪聲源39n分辨能力：是指圖像傳感器，它是圖像傳感器的重要參數(shù)。n空間頻率：任何圖像的都可以通過(guò)，其明暗變化的頻率(即每毫米中的“線對(duì)”)稱(chēng)為空間頻率。n最高空間頻率：CCD的分辨能力取決于其感光單元之間的間距。如果把CCD在某一方向上f0，則根據(jù)，一個(gè)圖像傳感器能夠分辨的最高空間頻率fm等于它的空間采樣頻率f

14、0的一半，即第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)012mff40CCD圖像器件動(dòng)態(tài)范圍的上限:CCD圖像器件動(dòng)態(tài)范圍的下限:圖像器件能分辨的最小信號(hào)，即等效即等效噪聲信號(hào)噪聲信號(hào)。 等效噪聲信號(hào):指CCD正常工作條件下，。等效噪聲信號(hào)可用峰峰值，也可用均方根值均方根值。通常噪聲的峰峰值為均方根值的6倍，故用兩種數(shù)值算得的動(dòng)態(tài)范圍也相差6倍。等效噪聲信號(hào)光敏單元滿(mǎn)阱信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍=第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)5.5 5.5 動(dòng)態(tài)范圍與線性度動(dòng)態(tài)范圍與線性度 41 通常

15、CCD圖像器件光敏單元的滿(mǎn)阱容量約106107電子，均方根總噪聲約103104數(shù)量級(jí)，即6080 dB。第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)5.5 5.5 動(dòng)態(tài)范圍與線性度動(dòng)態(tài)范圍與線性度 等效噪聲信號(hào)光敏單元滿(mǎn)阱信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍=42是指照射光強(qiáng)與產(chǎn)生的信號(hào)電荷之間的線性程度。CCD在用作光探測(cè)器時(shí)，線性度是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。在動(dòng)態(tài)范圍的中間區(qū)域，非線性度基本為零。通常，在弱信號(hào)及接近滿(mǎn)阱信號(hào)時(shí)，線性度比較差。在弱信號(hào)時(shí)，器件噪聲影響大，信噪比低，引起一定離散性；在接近滿(mǎn)阱時(shí)，由于光敏單元下耗盡區(qū)變窄，使量子效率下降，所以使線性度變差。第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件5 5、CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)5.5 5.5 動(dòng)態(tài)范圍與線性度動(dòng)態(tài)范圍與線性度 43 均勻性是指CCD各感光單元對(duì)光強(qiáng)度響應(yīng)的一致性。在CCD圖像器件用于測(cè)量領(lǐng)