第3章電荷耦合器

1、第第3 3章章 電荷耦合器件電荷耦合器件Charge Coupled DeviceCCD 新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器 第一節(jié)第一節(jié) CCD的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)電荷耦合器件電荷耦合器件 電荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定規(guī)律排列的 MOS電容器陣列組成的移位寄存器，在MOS電容器陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。p-SiVGSiO2金屬金屬1200-1500A可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移(傳輸傳輸)、輸、輸出、處理出、處理以及電子快門(mén)等一系列功能。以及電子快門(mén)等一系列功能。新型智能傳感器電荷

2、耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件具有以下一些特點(diǎn)：具有以下一些特點(diǎn)：u一般特性：一般特性：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)。壽命長(zhǎng)。u分辨率高：分辨率高：線(xiàn)陣線(xiàn)陣7000Pixel、分辨能力、分辨能力7 m，面陣，面陣40964096，整機(jī)分辨能力，整機(jī)分辨能力1000線(xiàn)以上。線(xiàn)以上。u兼容性：兼容性：任選模擬、數(shù)字輸出形式，與同步信號(hào)、任選模擬、數(shù)字輸出形式，與同步信號(hào)、I/O接口及微機(jī)兼容，組成高性能系統(tǒng)。接口及微機(jī)兼容，組成高性能系統(tǒng)。u光電特性：光電特性：靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大。靈敏度靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大。靈敏度0.01

3、Lx，動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍106：1，信噪比，信噪比6070dB。u分類(lèi)：分類(lèi)：線(xiàn)陣和面陣器件。線(xiàn)陣和面陣器件。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 一、穩(wěn)態(tài)情況穩(wěn)態(tài)情況MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件p-SiVGp-SiVGVG = 0新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 1.1.多數(shù)載流子堆積狀況多數(shù)載流子堆積狀況多數(shù)載流子堆積狀態(tài)1、VG0。金屬電極上加負(fù)電壓。金屬電極上加負(fù)電壓2、半導(dǎo)體表面的表面勢(shì)、半導(dǎo)體表面的表面勢(shì)VS 03、排斥電子、吸引空穴排斥電子、吸引空穴4、近表面處的空穴濃度增大。、近表面處的空

4、穴濃度增大。VG Vth就使 MOS結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)反型狀態(tài)，實(shí)際中 ，還應(yīng)考慮到所謂“平帶電壓”的存在。)ln(41)ln(20iAAsoxiAnNkTNCnNqkT)ln(410iAAsoxOXnNkTNCV-表面出現(xiàn)反型狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的外加?xùn)艍篤G以Vth表示.p-SiVGVSvox其中：VS = VG - Vox閾值電壓：閾值電壓：Vth = VS + Vox新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件二、非穩(wěn)態(tài)情況二、非穩(wěn)態(tài)情況MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)u動(dòng)態(tài)過(guò)程動(dòng)態(tài)過(guò)程：施加?xùn)艍旱乃查g，半導(dǎo)體表面的空穴被排斥而形成耗盡區(qū)。反型層中電子來(lái)源主要是耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的電子空穴對(duì)的電子。 u從非平衡

5、態(tài)的建立開(kāi)始到達(dá)熱平衡狀態(tài)（即穩(wěn)態(tài)）需要一定的時(shí)間-存貯時(shí)間T。 新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件u達(dá)熱平衡之前，MOS結(jié)構(gòu)中是空的電子勢(shì)阱。從表面一直到體內(nèi)較深處（稱(chēng)深耗盡）。u如果用信號(hào)電子QS注入勢(shì)阱，勢(shì)阱變淺；當(dāng)表面勢(shì)VS下降至兩倍費(fèi) 米電勢(shì)時(shí)，勢(shì)阱“充滿(mǎn)”，不再能吸納信號(hào)電子。u非穩(wěn)態(tài)時(shí)，VS大，勢(shì)阱深。勢(shì)阱所能容納的最大電荷量近似為：QS = CoxVGAd02iAnNT 0：耗盡區(qū)少子壽命；：耗盡區(qū)少子壽命；ni：本征載流子濃度；：本征載流子濃度；NA：受主濃度：受主濃度新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件第二節(jié)第二節(jié) CCDCCD的工作原理的工作原理1、采用單層單電極，

6、勢(shì)阱對(duì)稱(chēng)。時(shí)鐘脈沖控制電荷傳輸方向，防止電荷倒流。一、一、CCD的電極結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu) 若干電極為一組構(gòu)成一“位”。每位有有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，稱(chēng)作“相”。電極結(jié)構(gòu)分為二相、三相、四相三類(lèi)。2、為使電荷傳輸，采用交疊電極結(jié)構(gòu). 三相電極結(jié)構(gòu)三相電極結(jié)構(gòu)：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 2、這種二相電極結(jié)構(gòu)減少時(shí)鐘脈沖相數(shù)，電路相對(duì)簡(jiǎn)單。電路相對(duì)簡(jiǎn)單。二相電極結(jié)構(gòu)二相電極結(jié)構(gòu)： 氧化層厚度大或摻雜濃度高的地方勢(shì)阱淺淺， 氧化層厚度薄或摻雜濃度低的地方勢(shì)阱深深。1、施加電壓后，形成不對(duì)稱(chēng)的勢(shì)阱，新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件二、二、CCD的電荷轉(zhuǎn)移的電荷轉(zhuǎn)移 1、三相、三相CCD的電荷轉(zhuǎn)

7、移的電荷轉(zhuǎn)移新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 2、二相、二相CCD的電荷轉(zhuǎn)移的電荷轉(zhuǎn)移新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 三、信號(hào)輸出方式三、信號(hào)輸出方式1. 電流輸出方式：電流輸出方式：2）電荷包進(jìn)入3下后 3從高變低從高變低 ，VOG升高（同時(shí)提升了二極管的反向偏壓），形成反向電流反向電流，通過(guò)負(fù)載電阻流入體外放大器。1）構(gòu)成構(gòu)成：輸出柵OG、輸出反向二極管、片外放大器。-+VBLPFC3）電荷轉(zhuǎn)移到輸出擴(kuò)散結(jié)本質(zhì)上是無(wú)噪聲無(wú)噪聲的。4）輸出線(xiàn)性與輸出二極管結(jié)電容大小有關(guān)，輸出信噪比取決于體外放大器。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2. 電壓輸出方式電壓輸出方式：在體外集成

8、復(fù)位管T1和放大管T2。式中，CFD為浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容。voutT2voutT1rVcc浮置擴(kuò)散放大器浮置擴(kuò)散放大器:原理原理:2）當(dāng)信號(hào)電荷到來(lái)時(shí)，T1截止，信號(hào)電荷控制T2的柵極電位： Vout = Qs / CFD1）在3下的勢(shì)阱形成之前加r，把浮置擴(kuò)散區(qū)上一周期的剩余電荷通過(guò)T2的溝道抽走。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件四四、CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)沒(méi)有被轉(zhuǎn)移Q（=Q1-Q0）與原有Q0之比值，稱(chēng)作轉(zhuǎn)移損失率轉(zhuǎn)移損失率 。1)、定義：當(dāng)前電極下Q1與上一電極Q0的比值，稱(chēng)作轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 。 3）、在輸出端獲得的放大了的信號(hào)電壓為：LmLmoutoutRgRgVV1/

9、式中，gm為T(mén)1柵極與源極之間的跨導(dǎo)。所有的單元做在同一襯底上，抗噪聲性能比電流輸出好。所有的單元做在同一襯底上，抗噪聲性能比電流輸出好。1.電荷轉(zhuǎn)移效率及電荷轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率及電荷轉(zhuǎn)移損失率新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2)、計(jì)算式：Qn / Q0 = n = ( )n e -n結(jié)論：結(jié)論： 如果轉(zhuǎn)移 n個(gè)電極后，所剩下的信號(hào)電荷量為Qn，那么，總轉(zhuǎn)移效率為： 如果總轉(zhuǎn)移效率太低， CCD器件就失去實(shí)用價(jià)值。因?yàn)?，如果一定，那么器件的位?shù)就受到限制。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2）計(jì)算式：N / f L （or） f L N / （相數(shù) N = 2、3、4）2.工作頻

10、率工作頻率 f太高，會(huì)降低總轉(zhuǎn)移效率，同樣降低了信噪比。CCD器件的工作頻率應(yīng)選擇在器件的工作頻率應(yīng)選擇在fL 和和fh 之間。之間。1）定義： 信號(hào)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的頻率 f，包括上限頻率及下限頻率。f 太低，熱激發(fā)的少子過(guò)多填入勢(shì)阱，降低輸出信號(hào)的信噪比。Th / 3=1/(3 f h ) tm （or） fh (3 tm)-1 （相數(shù) N = 2、3、4）工作頻率的上限fh：工作頻率下限f L ：結(jié)論結(jié)論：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 2）計(jì)算式：計(jì)算式： Nmax= Cox VG Ad / q = V G 0 s Ad2 / dq一定柵極電壓作用下，勢(shì)阱中能容納

11、的最大電荷量可以近似地當(dāng)作電容對(duì)電荷的存儲(chǔ)來(lái)分析Qs = Cox VG Ad式中，VG 為時(shí)鐘脈沖變化幅值；Cox為SiO2層的電容；Ad為柵電極面積。如果SiO2氧化層的厚度為d，則勢(shì)阱中最大電荷貯存容量為：1）定義：）定義：3.電荷貯存容量電荷貯存容量新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件設(shè)電極下氧化層厚度 d1500nm， VG10V，s =3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。計(jì)算得Nmax =7106 ，可容納1000 Lx 的光照射2ns所產(chǎn)生的載流子3）舉例：）舉例：舉例舉例新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 入射在CCD象元上的單位能流密

12、度所產(chǎn)生的輸出電壓Vs的大小，用SV表示。LmLmFDSSVRgRgCQVS114.靈敏度靈敏度2）計(jì)算式：計(jì)算式：1）定義：）定義：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件1）定義：）定義： 在一定的測(cè)試條件下， CCD能傳感的景物光學(xué)信息的最小空間分布，用Tx表示。5.分辨率分辨率2）計(jì)算式：計(jì)算式： 設(shè)CCD像元精密排列，象素中心間距t，則器件的極限分辨率 Tx = 2t新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件光譜響應(yīng)隨光波長(zhǎng)的變化而變化的關(guān)系稱(chēng)為光譜響應(yīng)隨光波長(zhǎng)的變化而變化的關(guān)系稱(chēng)為光譜響應(yīng)函數(shù)光譜響應(yīng)函數(shù)6.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)2）光譜響應(yīng)率由）光譜響應(yīng)率由器件光敏區(qū)器件光敏區(qū)材料決定。材料

13、決定。1）定義：）定義： 指器件在相同光能量照射下，輸出的電壓Vs與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件第三節(jié)第三節(jié) CCDCCD器件器件一、典型的一、典型的CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1.單溝道線(xiàn)陣單溝道線(xiàn)陣CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)移位寄存移位寄存器器CCD轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵光柵光柵光敏元光敏元輸出輸出新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2.雙溝道線(xiàn)陣雙溝道線(xiàn)陣CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件3.幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)攝像器件攝像器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件4.行間轉(zhuǎn)移行間轉(zhuǎn)移CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)新型智能傳感器電荷耦合器件

14、電荷耦合器件二、典型的二、典型的CCD器件及其驅(qū)動(dòng)器件及其驅(qū)動(dòng)TCD142D型CCD性能參數(shù)：性能參數(shù)：1、象素(象元)：2048位線(xiàn)陣2、相數(shù)：二相新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 3、像元尺寸： 14m，光敏陣列總長(zhǎng)28672m 4、引腳： 1A 、2A 、1B 、2B均為時(shí)鐘端、SH為移動(dòng)?xùn)拧?RS 為復(fù)位柵,OS為移動(dòng)?xùn)?、DOS為補(bǔ)償輸出端、OD為電源端、 SS為接地端、NC空閑。 5、像元結(jié)構(gòu)： 2110個(gè)光敏像元陣列,62個(gè)啞元（前51個(gè)、后 11個(gè))雙溝道。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件1、SH為同步脈沖，B時(shí)段，光敏區(qū)與移位寄

15、存器之間的勢(shì)阱溝通，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移至l 電極下。2、C時(shí)段，隔離光敏區(qū)與移位寄存器之間的勢(shì)阱溝通。3、隨后，l 與2交替變化，信號(hào)電荷順序轉(zhuǎn)移，經(jīng)由OS引腳輸出。4、輸出：12個(gè)虛設(shè)脈沖（結(jié)構(gòu)上的原因） 51個(gè)暗電流脈沖 2048個(gè)信號(hào)脈沖 11個(gè)暗電流脈沖（共12+51+2048+11=2122個(gè)脈沖） 多余無(wú)信號(hào)脈沖。5、該器件是兩列并行傳輸，在一個(gè)SH 周期中至少要有1061個(gè)1脈沖，即TSH1061T1。6、 RS復(fù)位一次輸出一個(gè)光電信號(hào)。 DOS端是補(bǔ)償輸出單元的輸出端，用于檢取驅(qū)動(dòng)脈沖 對(duì)輸出電路的容性干擾信號(hào)，若將OS和 DOS分別送到差分放大器的兩個(gè)輸入端，則在輸出端將得到被放大

16、的沒(méi)有驅(qū)動(dòng)脈沖干擾的光電信號(hào)。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件TCD142D驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路TCD142D驅(qū)動(dòng)電路新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件第四節(jié)第四節(jié) CCD在測(cè)量中的應(yīng)用在測(cè)量中的應(yīng)用一、尺寸測(cè)量一、尺寸測(cè)量測(cè)量精度 外徑：0.1mm 壁厚：0.05mm設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)玻璃管平均外徑：12mm 壁厚：1.2mm新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件則： d1 = n1t / d2 = n2t / D = Nt / 光學(xué)參數(shù)計(jì)算光學(xué)參數(shù)計(jì)算設(shè)：設(shè)：象元尺寸：t上壁厚：d1 ，脈沖數(shù)n1下壁厚： d2 ，脈沖數(shù)n2外徑尺寸：D，脈沖數(shù)N玻璃管的像大小為：玻璃管的像大小

17、為：9.6mm物鏡放大率：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 選擇遠(yuǎn)心光路的放大率為0.8倍，則：玻璃管的像大小為：9.6mm 外徑及壁厚測(cè)量精度要求反應(yīng)在像面上為：0.08mm及0.04mm 根據(jù)CCD測(cè)量靈敏度的需要，0.04mm要大于2個(gè) CCD光敏像素的空間尺寸，選擇TCD132D（光敏區(qū)長(zhǎng)102414m=14.336mm）。注意：注意：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件二、位移測(cè)量二、位移測(cè)量設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想（）設(shè)計(jì)指標(biāo)：設(shè)計(jì)指標(biāo)：最大電動(dòng)程：3mm最小微位移：0.004mm測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)確定：測(cè)量范圍：03.5mm靈敏度：0.003mm測(cè)量誤差：0.1非接觸在線(xiàn)測(cè)量非接觸在線(xiàn)測(cè)量新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件式中：N為M1M2之間的象素?cái)?shù)量。L = (LBa - LBa) + 0.5 (Wab - Wab)L = (NL - NL) + 0.5 (NW - NW) 分析分析設(shè)：放大系數(shù)設(shè)：放大系數(shù) CCD面上光強(qiáng)凹陷移動(dòng)L，則：頂桿的電動(dòng)程x = L / 又設(shè)CCD單元象素寬度為t, 則： L = Nt新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路 以以 SH為標(biāo)志，為標(biāo)志， SH出現(xiàn)起延時(shí)固定時(shí)間，由計(jì)算機(jī)輸出出現(xiàn)起延時(shí)固