CCD損傷機(jī)理講稿

1、1969年，CCD由貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith發(fā)明，并于次年發(fā)表。CCD是一種電荷轉(zhuǎn)移器件，集成了一系列的電荷存儲單元，通過對外加電壓的控制，實現(xiàn)電荷的存儲及電荷在相鄰的儲存單元間的轉(zhuǎn)移（或稱耦合）。以電荷作為信號的載體，CCD器件可用來實現(xiàn)信號的獲取、存儲、轉(zhuǎn)移以及放大處理。由于現(xiàn)代工藝的提高，半導(dǎo)體器件的集成度不斷提升,實現(xiàn)這些功能的器件都可以集成在一個小芯片上，我們稱之為CCD芯片,而原來CCD只是指耦合、傳輸電荷的那部分器件，我們現(xiàn)在統(tǒng)稱實現(xiàn)這些全部功能的整個器件為CCD器件。CCD具有高解析度（像素從初期的十萬多到現(xiàn)在的千萬像素甚至更多，像素大小為微米級，可感

2、測及識別精細(xì)物體），低噪聲和高敏感度（具有很低的讀出噪聲和暗電流噪聲，因此居于哦較高的信噪比），動態(tài)范圍廣（同時適用于強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)的環(huán)境使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象），良好的線性特性曲線，體積小、重量輕、低能耗、可大批生產(chǎn)等等優(yōu)點。CCD按照工作特性可分為線陣CCD和面陣CCD，線陣CCD由于對物象的多次光積分，可大大改善環(huán)境惡劣這一不利因素，在工業(yè)檢測、空間探測、航天遙感、微光夜視探測等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。（衛(wèi)星上的監(jiān)視相機(jī)，嫦娥上的相機(jī)均為這一類型）。而面陣CCD主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)（DC）、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等影像產(chǎn)品上。CCD的基本單元是個MOS（MetalO

3、xideSemiconductor）電容，由金屬或多晶硅、二氧化硅、P型硅組成，P型硅（多子是空穴）中的空穴均勻分布。當(dāng)柵極G加上正電壓UG時，柵極下面的空穴受到排斥，從而形成一個耗盡層。UG增加，耗盡層向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸。當(dāng)UG數(shù)值高出某一臨界值Uth時，在半島體內(nèi)靠近絕緣層的界面處，將有電子出現(xiàn)，形成一層很薄的反型層，反型層中電子密度很高，通常稱之為溝道。反型層與半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾有一層耗盡層。耗盡層可以認(rèn)為是少數(shù)載流子也就是電子的“勢阱”，而勢阱里面電荷的容量跟MOS電容、電壓UG以及結(jié)面積成正比。Q=C*UG*A。電荷的轉(zhuǎn)移：按照一定的時間順序調(diào)整加在各電極上的電壓可移動勢阱的位置，存儲

4、在原勢阱中的電荷也就通過半導(dǎo)體溝道轉(zhuǎn)移到新的勢阱中。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。通常把ccd的電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘驅(qū)動脈沖。ccD正常工作所需要的相數(shù)由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。這樣就有了二相ccd、三相ccd等不同相的ccd，二相ccd的電荷必須在二相交疊驅(qū)動脈沖的作用下，才能一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移，三相ccd的電荷必須在三相交疊驅(qū)動脈沖的作用下，才能一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。由電荷信息轉(zhuǎn)換為圖像信息還要經(jīng)過電荷放大輸出、圖像信息還原等步驟。物象的亮度不同，也就對應(yīng)著在ccd芯片上產(chǎn)生的光生載流子的數(shù)量不同，電荷放

5、大輸出后的電壓值不同，然后根據(jù)電壓值不同還原成最高為255的不同灰度值圖像。在這里不一一展開講解。跟課題研究相關(guān)性也不大。CCD的電荷轉(zhuǎn)移方式分為幀轉(zhuǎn)移(FT-FrameTransfer)，行間轉(zhuǎn)移dT-InterlineTransfer)，幀行間轉(zhuǎn)移（FIT-FrameInterlineTransfer）。我的課題研究的CCD即為幀行間轉(zhuǎn)移方式的四相驅(qū)動黑白面陣CCD,芯片是Sony的ICX405AL。這種類型的CCD是典型的行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD（IT-CCD），總像素數(shù)為537（水平）x597（垂直），有效像素數(shù)為500（水平）x582（垂直）。在每一行的有效像素之外，右側(cè)有30個完全避免

6、光進(jìn)入的光學(xué)黑體像素，此處的信號當(dāng)做圖像信號的黑體標(biāo)準(zhǔn)，左側(cè)有7個暗電流成分較少的空中傳輸信號像素，用來當(dāng)作觀察像素信號含有暗電流大小的基準(zhǔn)。行間轉(zhuǎn)移方式型是也是攝影機(jī)或者數(shù)字照相機(jī)最常用的方式，行間轉(zhuǎn)移方式CCD的像素主要由光電二極管和垂直CCD組成，前者負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換與電荷儲存，后者負(fù)責(zé)電荷的轉(zhuǎn)移。遮光金屬鎢用來防止光進(jìn)入垂直CCD,多晶硅為垂直CCD的四相驅(qū)動電極。為了提高入射光的利用率，目前商品化的CCD圖像傳感器，在像素上面放置了一層微鏡頭結(jié)構(gòu)，將入射至攝影面的光集中到光電二極管。光電二極管和垂直CCD都采用埋溝式結(jié)構(gòu)，表面采用一層全耗盡的摻雜層，光生電荷離開表面減少了表面復(fù)合，這種結(jié)

7、構(gòu)具有較高的轉(zhuǎn)換效率與較低的暗電流。CCD的像素構(gòu)造如圖所示。N-sub.圖1像素截面構(gòu)造行間轉(zhuǎn)移方式CCD的工作原理:參照上面圖片的像素構(gòu)造，較黑的部分是遮光的垂直CCD,也就是負(fù)責(zé)電荷轉(zhuǎn)移的部分；矩形區(qū)域是光電二極管，也就是一個PN結(jié)，具有光伏效應(yīng)，對光敏感，光照會產(chǎn)生光生載流子（插入課題另一部分太陽能電池的介紹）。光電二極管對根據(jù)對應(yīng)物象的亮度不同進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生光生載流子，這稱為光積分。光積分結(jié)束后，光電二極管內(nèi)光積分產(chǎn)生的載流子（其實是電子，光生載流子中的空穴部分被處理掉，因為由上面的介紹可知，此結(jié)構(gòu)的信號傳輸載體是電子。把P型硅換成N型硅，則載體為空穴，所加電壓UG也要變成負(fù)電壓）在讀出時鐘脈沖的控制下，被轉(zhuǎn)移到垂直CCD中，這個動作稱作讀出轉(zhuǎn)移。完成這個動作之后，光電二極管進(jìn)行下一幀圖像的光積分。而電子在垂直CCD內(nèi)，在四相時鐘脈沖的控制下，逐行轉(zhuǎn)移至水平CCD。電子在水平CCD內(nèi)，將像素逐一轉(zhuǎn)換成信號電壓后輸出。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 電垂直掃描期間尊垂頁消陳期間 HY