光電檢測(cè)技術(shù)與光纖基礎(chǔ)課件：第七章 固體成像器件

1、1第七章 固體成像器件固體成像器件：不需要封裝在真空玻璃殼內(nèi)，不需要用靶來完成光電圖像的轉(zhuǎn)換，不需要有電子束掃描來完成圖像信號(hào)的輸出。固體成像器件本身就能完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和按順序輸出（自掃描）視頻電視信號(hào)。CCD： （Charge Coupled Device）電荷耦合器件固體成像器件SSPD：（Self Scanned Photodiode Array)自掃描光電二極管列陣優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長無像元燒傷、扭曲，不受電磁場(chǎng)干擾SSPD的光譜響應(yīng)范圍從0.251.1m，對(duì)紅外線也敏感 2像元尺寸精度優(yōu)于1m，分辨率高可進(jìn)行非接觸位移測(cè)量基本上不保留殘像

2、（真空攝像管有15%20%的殘像）視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易P型或N型硅襯底生長一層120150nm的SiO2多個(gè)金屬電極MOS7.1 電荷耦合器件7.1.1電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)硅表面的一組電容器37.1.2 電荷耦合原理與電極結(jié)構(gòu)b）加電狀態(tài)c）勢(shì)阱形成及電荷存儲(chǔ) a）平面狀態(tài)1.電荷耦合原理1) 單元MOS平衡狀態(tài)、勢(shì)阱形成及電荷的存儲(chǔ)P-SiSiO2電極U2P-SiU1P-SiU3P-Si勢(shì)阱的深度與電壓成正比耗盡層410V10V2Vt22）電荷的耦合及傳輸10V2V3Vt14V10V2Vt32V10V2Vt42V4V10Vt52V2V10Vt6t1t2t3t4123tttt5UUU三相時(shí)鐘t

3、652）電荷的耦合及傳輸t1t2t3t4123tttt5UUU三相時(shí)鐘t62. CCD電極結(jié)構(gòu)1)三相CCD的電極結(jié)構(gòu)72. CCD電極結(jié)構(gòu)2SiO2P-Si襯底1tt0t1t2t312t2 1t0t1t2t32)二相CCD的電極結(jié)構(gòu)3)除此之外還有四相時(shí)控制87.1.3 電荷耦合器件的組成及其工作原理信號(hào)電荷的輸入（光電轉(zhuǎn)換）電荷轉(zhuǎn)移信號(hào)輸出CCD的組成：1.輸入部分1）電注入電或光輸入二極管、場(chǎng)效應(yīng)管及電勢(shì)平衡法輸入等92）光注入光電轉(zhuǎn)換器件+CCD（電荷的轉(zhuǎn)移）MOS電容光敏二極管光光敏二極管光電轉(zhuǎn)換光電導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘光電二極管轉(zhuǎn)移柵N+Pa123OG+P輸出柵IG 光柵N光敏元10MO

4、S電容光電轉(zhuǎn)換N+Pa123OG+P輸出柵轉(zhuǎn)移柵IG光柵光敏元光N+Pa123OG+PIG光敏元112.信號(hào)的轉(zhuǎn)移部分如前所述3. 信號(hào)的輸出部分（1）二極管輸出機(jī)構(gòu)（2）選通積分型輸出機(jī)構(gòu)NPRUCVF1VF2CR1RLG2s+123N+PaOG輸出柵簡單但噪聲大具有放大作用，輸出信號(hào)大，線性好。127.1.4 電荷轉(zhuǎn)移溝道類型SCCD：表面溝道電荷耦合器件，電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面處，并沿界面?zhèn)鬏擝CCD：體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件，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)沿一定方向傳輸差別：（1）SCCD比BCCD的信號(hào)處理能力大一倍（2）BCCD的工作頻率上限

5、被大大提高（3）BCCD大大提高了轉(zhuǎn)移效率（4）電荷的存儲(chǔ)柵和轉(zhuǎn)移柵剛好相反（5）SCCD信號(hào)電荷是少子，而BCCD信號(hào)電荷是多子SCCD制做工藝簡單，信號(hào)處理容量大，很適合于運(yùn)行速度要求不高的場(chǎng)合。BCCD噪聲低，高傳輸效率，可用于低照度下137.2 電荷耦合器件的分類線陣CCD 面陣CCD7.2.1 線陣CCD最簡單的線陣CCD：不適合作攝像電極遮光拖影14作為攝像用的器件，通常情況下光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)是分開的1）單邊（排）傳輸 1三相單邊CCD輸出12光柵CCDABCABC2轉(zhuǎn)移柵3光結(jié)構(gòu)簡單，但效率低，適用于光敏元少的器件如2048單元。轉(zhuǎn)移6144次，損失率達(dá)61%152）雙邊（排）傳輸

6、 1輸出12412PxCCDCCDABCABC2x33結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但效率高167.2.2 面陣CCD1. FTCCD（幀轉(zhuǎn)移型）I2I3I1S1S2S3R1R2R3輸出 攝像區(qū)（光敏區(qū)） 暫存區(qū)（遮光區(qū))讀出寄存器速率為y倍于垂直CCD四個(gè)部分組成172. ILTCCD（行間轉(zhuǎn)移型）采用二相形式，易隔行掃描187.3* CCD攝像機(jī)分類可見光CCD紅外CCDX射線CCD紫外CCD黑白CCD彩色CCD微光CCD197.3.1 可見光CCD可見光CCD： 黑白CCD、彩色CCD、微光CCD1.彩色CCD分類：三片式、二片式、單片式三片式的式作原理：采用光學(xué)系統(tǒng)將入射光學(xué)圖像分為紅、綠、藍(lán)三種顔色圖像

7、，然后投射到三片CCD上。202.微光CCD微光：泛指夜間或低照度下微弱的、甚至不能引起人眼視覺的光。兩種類型 增強(qiáng)型（ICCD）像增強(qiáng)器與CCD芯片耦合模式電子轟擊模式（E-BCCD）時(shí)間延遲積分型CCD（TDICCD）三種模式1）像增強(qiáng)器與CCD芯片耦合模式靈敏度高達(dá)2000A/lm光譜響應(yīng)寬度達(dá)2.1m暗電流低達(dá)10-16A/cm2可在無月光、無星光的條件下正常工作212）電子轟擊模式易產(chǎn)生螺旋形畸變易產(chǎn)生枕形畸變會(huì)有強(qiáng)的背景輻射高靈敏度，高增益，低暗電流。但壽命短。223）TDICCD工作模式通過加長光積分時(shí)間來增大信號(hào)。采用低溫、背照減薄的工作方式，大大提高靈敏度。7.3.2 IRC

8、CD-用紅外探測(cè)器陣列代替可見光CCD的光敏元部分，就構(gòu)成焦平面紅外陣列（IRCCD）。但分辨率有限。常用敏感材料：PbS和PbSe陣列、PtSi陣列、InSb陣列 HgCdTe陣列、GaAs/ALGaAs陣列、 摻雜硅陣列、熱釋電探測(cè)器陣列等 7.3.3 X射線CCD兩類直接用CCD像機(jī)拍攝X射線圖像用碘化銫晶體進(jìn)行光轉(zhuǎn)換，再用CCD拍攝237.3.4 紫外CCD兩種方法利用背堆積利用一些熒光物質(zhì)進(jìn)行光轉(zhuǎn)換247.4 CCD的性能參數(shù)7.4.1 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率總轉(zhuǎn)移效率：為減少信號(hào)電荷的損耗，常應(yīng)用“胖零”技術(shù)轉(zhuǎn)移效率:損耗率:Qn要大于90%才有實(shí)用價(jià)值，一般要求大于0.9999

9、257.4.2 光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng)正面光照: 電極的多次反射一方面減小了光的透過率，另一方面多次反射光之間的干涉使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)起伏（如1所示）光照方式背面光照：透過率好，光譜響應(yīng)曲線與光電二極管相似(如2所示）。如果再鍍?cè)鐾改t可進(jìn)一步提高響應(yīng)率（如3所示）267.4.3 分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)7.4.4 動(dòng)態(tài)范圍最小照度：受噪聲限制最大照度：受電荷處理容量的限制動(dòng)態(tài)范圍：輸出飽和電壓與暗場(chǎng)時(shí)噪聲的峰值電壓之比，好的CCD這一比值一般在10005000增大動(dòng)態(tài)范圍的方法是減小暗電流分辨率:lp/mm調(diào)制傳遞函數(shù):MTF=MTF1MTFDMTFT277.4.5 暗電流和噪聲暗電流：指在無光注

10、入也無電注入情況下輸出的電流。主要由半導(dǎo)體襯底的熱激發(fā)、耗盡區(qū)里產(chǎn)生-復(fù)合中心的熱激發(fā)（主要的）、耗盡區(qū)邊緣的少子熱擴(kuò)散CCD的噪聲：1.散粒噪聲在CCD中，無論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號(hào)電荷包的電子數(shù)目總有一定的不確定性，也就是圍繞平均值上下起伏，形成噪聲。2.轉(zhuǎn)移噪聲是由轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)俘獲引起的，其特點(diǎn)是：一、積累性 二、相關(guān)性3.熱噪聲固體中載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)引起的287.5 自掃描光電二極管陣列（SSPD） 7.5.1 光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式和工作原理1.光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式圖1)連續(xù)工作方式2) 電荷存儲(chǔ)工作方式291)連續(xù)工作方式2.光電二極管陣列的工作原理這種工作

11、方式是一種連續(xù)的工作方式，輸出電流很小，N位圖像傳感器至少要有N+1根信號(hào)引出線，所以布線有困難，一般只用于64位以下的光電二極管陣列中302) SSPD ，電荷存儲(chǔ)工作方式(1)準(zhǔn)備過程每個(gè)單元31(3) 再充電過程(2)曝光過程電容上的電壓下降：因光照，電容放電為：RL是輸出的峰值電壓為：32負(fù)載上的最大輸出光電流為：與連續(xù)工作方式下的輸出電流相比，增益為：337.5.2 SSPD 線陣（1）N位完全相同的光電二極管陣列（2）N個(gè)多路開關(guān)。由N個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成（3）N位數(shù)字移位寄存器。用于順序閉合和打開N個(gè)多路開關(guān)通過以上三部分，一幅光學(xué)圖像就轉(zhuǎn)化成了一幅隨時(shí)間變化的視頻圖像347.5.3 SSPD 面陣357.5.4 SSPD 的主要性能參數(shù)1. 光電特性2. 暗電流暗電流：積分暗電流、開關(guān)噪聲、熱噪聲3. 動(dòng)態(tài)范圍飽和信號(hào)峰值與噪聲暗態(tài)峰值之比典型值為-100：1可通過給SSPD線陣每個(gè)二極管附加電容器，使動(dòng)態(tài)范圍增加到10