CCD基本工作原理課件

教學(xué)進(jìn)度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本工作原理典型面陣ICCD視頻信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集圖像傳感器的典型應(yīng)用典型線陣ICCD圖像傳感器基本原理及電視制式教學(xué)進(jìn)度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本1第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出特點(diǎn)：以電荷為信號(hào)載體；CCD的基本功能：電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移；CCD圖像傳感器的基本工作過(guò)程：光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷）電荷的儲(chǔ)存（存儲(chǔ)信號(hào)電荷-光積分）電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷）電荷的檢測(cè)（將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）光電二極管FD放大器CCD第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出2CCD的工作過(guò)程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷收集4電荷轉(zhuǎn)移5電荷測(cè)量視頻輸出CCD的工作過(guò)程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷存儲(chǔ)電荷耦合CCD電極結(jié)構(gòu)電荷注入和檢測(cè)CCD特性參數(shù)電荷耦合攝像器件：工作原理、特性參數(shù)第五講CCD圖像傳感器基本工作原理電荷存儲(chǔ)第五講CCD圖像傳感器基本工作原理4一、電荷存儲(chǔ)——光電轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)電荷怎么存儲(chǔ)？信號(hào)電荷以何種機(jī)制儲(chǔ)存？信號(hào)電荷是空穴還是電子？——CCD多用電子利用電子可以被高電勢(shì)所吸引的性質(zhì)。

在光電二極管中，不管用什么方法只要做出高于周?chē)妱?shì)的部分，信號(hào)電荷(電子)就可以在此集中儲(chǔ)存。

電勢(shì)阱：儲(chǔ)存信號(hào)電荷的電勢(shì)分布狀態(tài)為了存儲(chǔ)電荷必須制造一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量收集起來(lái)，而且保證所收集電荷不被復(fù)合。一、電荷存儲(chǔ)——光電轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)電荷怎么存儲(chǔ)？信號(hào)電荷以5MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS單元組成，它具有存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信息的能力，故又稱為動(dòng)態(tài)移位寄存器。

MOS電容器有二種類(lèi)型：表面溝道和掩埋溝道。這二種類(lèi)型MOS電容器的制造只有些許不同；然而，由于埋溝電容結(jié)構(gòu)具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此這種結(jié)構(gòu)成了CCD制造工藝的首選。事實(shí)上今天制造的所有CCD幾乎都利用埋溝結(jié)構(gòu)。

CCD的構(gòu)成基礎(chǔ)：MOS電容器(Metal-Oxide-Semiconductor)

金屬-氧化物-半導(dǎo)體

MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS6

MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體硅襯底上，生長(zhǎng)一層很薄的SiO2絕緣層，再蒸鍍上一層金屬(鋁)或高摻雜的多晶硅作為柵電極。襯底接地，柵極外接電壓。

半導(dǎo)體作為底電極，稱為“襯底”。襯底分為P型硅襯底和N型硅襯底，它對(duì)應(yīng)不同的溝道形式，由于電子遷移率高，所以，大多數(shù)CCD選用P型硅襯底。MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體7當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時(shí)，P型襯底中的空穴從界面處被排斥到襯底的另一側(cè)，在Si表面處只留下一層不能移動(dòng)的受主離子，這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”，形成圖中的充電區(qū)域(空間電荷區(qū))稱作耗盡區(qū)。（相當(dāng)于MOS電容器充負(fù)電）UG為零時(shí)，Si表面沒(méi)有電場(chǎng)的作用，其多數(shù)載流子濃度與體內(nèi)一樣。Si本身呈電中性。P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴。當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時(shí)，P型襯底中的空穴從8正電壓UG進(jìn)一多增加，當(dāng)UG超過(guò)某一閾值Uth時(shí)，將使得半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）被吸引到半導(dǎo)體表面附近，形成一層極?。ê穸燃s10nm）但電荷濃度很高的反型層。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。（電勢(shì)能最低點(diǎn)）

反型層電荷的存在表明MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。正電壓UG進(jìn)一多增加，當(dāng)UG超過(guò)某一閾值Uth9表面勢(shì)：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢(shì)。表面勢(shì)表征了耗盡區(qū)的深度，與柵極電壓和氧化層厚度有關(guān)不同氧化層厚度不存在反型層電荷時(shí)勢(shì)阱：由表面勢(shì)產(chǎn)生的阱狀空間。有的定義為：存儲(chǔ)電荷的電勢(shì)分布狀態(tài)。電極上的電壓越大，勢(shì)阱越深，可存儲(chǔ)的電荷量越多，也就代表了CCD器件具有電荷存儲(chǔ)功能。

理論分析參見(jiàn)半導(dǎo)體物理表面勢(shì)：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢(shì)。不同氧10

柵極電壓不變時(shí)，表面勢(shì)與反型層電荷密度的關(guān)系：柵極電壓不變時(shí)，表面勢(shì)與反型層電荷密度的關(guān)系：11反型層電荷填充勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮的情況：勢(shì)阱存信號(hào)電荷類(lèi)似水桶盛水水桶模型溢出現(xiàn)象反型層電荷填充勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮的情況：勢(shì)阱存信號(hào)電荷類(lèi)似水12電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電子－空穴對(duì)耗盡區(qū)埋溝電容是在一個(gè)p-型襯底上建造的；在p-型襯底表面上形成一個(gè)n-型區(qū)(~1μm厚)；然后，生長(zhǎng)出一層薄的二氧化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅層上用金屬或高摻雜的多晶硅制作電極或柵極；至此完成了MOS電容的制作。電子的勢(shì)能：q是電子的電荷量，而為靜電勢(shì)2-6電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電13無(wú)偏置時(shí)，n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴(kuò)散，p-型層內(nèi)含有多余的空穴并向n-型層擴(kuò)散；這個(gè)結(jié)構(gòu)與二極管結(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同。上述的擴(kuò)散產(chǎn)生了內(nèi)部電場(chǎng)，在n-型層內(nèi)電勢(shì)達(dá)到最大。np沿此線的電勢(shì)示于上圖.電勢(shì)CCD厚度方向的截面圖這種‘埋溝’結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能使光生電荷離開(kāi)CCD表面，因?yàn)樵贑CD表面缺欠多，光生電荷會(huì)被俘獲。這種結(jié)構(gòu)還可以降低熱噪聲（暗電流）。電荷的收集MOS電容器電子勢(shì)能最小的地方位于n-型區(qū)內(nèi)并與硅-二氧化硅(Si-SiO2)的交界面有一定距離這個(gè)勢(shì)能最小(或電位最高)的地方就是多余電子聚集的地方。無(wú)偏置時(shí)，n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴(kuò)散，p-型14CCD曝光時(shí)，每個(gè)像元有一個(gè)電極處于高電位。硅片中這個(gè)電極下的電勢(shì)將增大，成為光電子收集的地方，稱為勢(shì)阱。其附近的電極處于低電位，形成了勢(shì)壘，并確定了這個(gè)像元的邊界。像元水平方向上的邊界由溝阻確定。電荷的收集MOS電容器電勢(shì)電勢(shì)勢(shì)能勢(shì)能CCD曝光時(shí)，每個(gè)像元有一個(gè)電極處于高電位。硅15CCD曝光時(shí)，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢(shì)阱里收集。隨著電荷的增加，電勢(shì)將逐漸變低，勢(shì)阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達(dá)到飽和。勢(shì)阱能容納的最多電荷稱為滿阱電荷數(shù)。np電勢(shì)最大電勢(shì)區(qū)電荷的收集MOS電容器CCD曝光時(shí)，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢(shì)阱里收集16實(shí)際的埋溝結(jié)構(gòu)埋溝結(jié)構(gòu)的兩邊各有一個(gè)比較厚(~0.5-1.5μm)的場(chǎng)氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的p-型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢(shì)對(duì)柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢(shì)壘。電荷的收集MOS電容器柵極N型埋溝場(chǎng)氧化物溝阻P型襯底耗盡區(qū)信號(hào)電荷氧化物實(shí)際的埋溝結(jié)構(gòu)電荷的收集MOS電容器柵極N型埋溝場(chǎng)氧化物17埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點(diǎn)是：能在單一電極之下的一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勢(shì)阱；能調(diào)整或控制柵極下面的勢(shì)能；儲(chǔ)存電荷的位置(勢(shì)能最小處)離Si-Si02交界面有一定的距離；低的暗電流使其能夠長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存信號(hào)電荷(取決于工作條件可以從數(shù)十秒到數(shù)小時(shí))；所收集的電荷可以通過(guò)光照、電注入等產(chǎn)生；能快速地將電荷從一個(gè)電極之下的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到下一個(gè)鄰近的電極下面，而且損失非常低。電荷的收集MOS電容器埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點(diǎn)是：電荷的收集MOS電容器18像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2絕緣層電極結(jié)構(gòu)像元邊界入射的光子光子入射到CCD中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子向器件中電勢(shì)最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個(gè)電荷包對(duì)應(yīng)一個(gè)像元。電荷的收集電荷收集的效率與電勢(shì)的分布、復(fù)合壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān)。像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2絕緣層電極結(jié)構(gòu)像元邊19二、電荷耦合——MOS電容器中存儲(chǔ)的電荷如何移動(dòng)？顯微鏡下的MOS元表面P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)原理：利用電勢(shì)阱移動(dòng)信號(hào)電荷類(lèi)比：水按順序傾倒到相鄰水桶問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)？

時(shí)序驅(qū)動(dòng)脈沖二、電荷耦合——MOS電容器中存儲(chǔ)的電荷如何移動(dòng)？顯微鏡下的20以三相CCD為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程:電極僅靠勢(shì)阱合并

每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極,依次在上面施加三個(gè)相位不同的控制脈沖以三相CCD為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程:電極僅靠21CCD基本工作原理課件22三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過(guò)程三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過(guò)程23注意各個(gè)電極上電壓的變化:注意各個(gè)電極上電壓的變化:24CCD基本工作原理課件25驅(qū)動(dòng)脈沖波形設(shè)計(jì)三相普通結(jié)構(gòu)CCD假設(shè)初始時(shí)刻電荷存儲(chǔ)在電極Ф1下，向右定向移動(dòng)從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3100100100—t1110110110—t2010010010—t3011011011—t4001001001—t5101101101—t6100100100—t7TT驅(qū)動(dòng)脈沖波形設(shè)計(jì)三相普通結(jié)構(gòu)CCD從上到下依次為Ф1Ф226作業(yè)一設(shè)計(jì)由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖。

設(shè)計(jì)要求：信號(hào)電荷最初僅存在于電極Ф2下，并要求信號(hào)電荷從左到右在CCD中定向移動(dòng)。

波形分析：根據(jù)驅(qū)動(dòng)波形知道驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比為多少？驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序上的關(guān)系（Ф2比Ф1延遲多長(zhǎng)時(shí)間）？

驅(qū)動(dòng)電路：相應(yīng)的時(shí)序電路如何設(shè)計(jì)？從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3Ф4作業(yè)一設(shè)計(jì)由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖。27說(shuō)明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖。 CCD工作所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖相數(shù)由其電極結(jié)構(gòu)決定。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的CCD，為了使電荷包單向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的CCD，也可采用二相供電或四相供電等方式。

信號(hào)電荷必須在相應(yīng)驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，才能以一定方向逐單元地轉(zhuǎn)移。

CCD電極間隙必須很?。ú淮笥?微米），電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下；如果電極間隙過(guò)大，兩電極的勢(shì)阱就被勢(shì)壘隔開(kāi)，不能合并，也就不能發(fā)生移動(dòng)了。說(shuō)明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣28CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；CCD轉(zhuǎn)移電極基本要求： 電荷定向轉(zhuǎn)移 相鄰勢(shì)阱耦合三、CCD的電極結(jié)構(gòu)——信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)接入CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；三、CCD的電極結(jié)構(gòu)291、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)采用對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)，三相CCD是最簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谀骋淮_定的時(shí)刻，對(duì)存貯有電荷的電極而言，兩個(gè)相鄰電極，需要一個(gè)被“打”開(kāi)，另一個(gè)保持“關(guān)”閉，以阻止電荷倒流。通常這種電極結(jié)構(gòu)有三種形式：三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)1、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)30（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成一層0.1μm的SiO2，而后在SiO2上蒸發(fā)一層鋁，采用光刻工藝形成間隙很窄的電極。

結(jié)構(gòu)存在明顯的缺點(diǎn)：電極間隙處SiO2表面裸露在周?chē)鷼夥罩校锌赡苷次跾iO2表面，造成表面勢(shì)不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)移效率。（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成31（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的方法之一就是引用硅柵結(jié)構(gòu)。在氧化物層上沉積一層多晶硅，然后按要求對(duì)電極區(qū)域選擇摻雜(硼或磷)，形成圖中的低阻多晶電極，電極間互連和焊接區(qū)采用蒸鋁來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：封閉式，性能穩(wěn)定，成品率高；缺點(diǎn)：由于光刻和多晶硅定域摻雜難以保證電極間高阻區(qū)很窄，使得每個(gè)單元尺寸較大，這樣的結(jié)構(gòu)僅用于小型列陣器件。（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的32（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)構(gòu)形式。電極間窄間隙，又封閉的電極結(jié)構(gòu)。三相交疊電極可以是多晶硅，也可以是鋁金屬，或者兩種混用。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)33（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)

三相交疊硅柵的形成工藝：先在硅表面生成一層高質(zhì)量的氧化物（柵氧），跟著沉積一層多晶硅，摻雜后按規(guī)定圖案光刻出第一組電極；而后再進(jìn)行熱氧化，形成一層氧化物，再沉積多晶硅、摻雜，第二次光刻出第二組電極；第三組電極形成方法與第二組電極相同。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵的形成工藝：先在342、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下工作，電極本身必須設(shè)計(jì)成不對(duì)稱性，在這種不對(duì)稱電極下產(chǎn)生體內(nèi)勢(shì)壘，即由電極本身保證電荷能定向運(yùn)動(dòng)。

常用方法：利用絕緣層厚度不同的臺(tái)階和離子注入產(chǎn)生的勢(shì)壘優(yōu)點(diǎn)：二相時(shí)鐘方法的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：厚氧化層下面是阻擋勢(shì)壘，不能存貯電荷，加之勢(shì)阱勢(shì)壘差減小，所以，能夠存貯在勢(shì)阱中的信號(hào)電荷量比三相時(shí)鐘情況少。一相電極2、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時(shí)鐘353、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器件、二相器件相比，較為適合于工作時(shí)鐘頻率很高的情況(如100MHz)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)波形接近正弦波。雙重勢(shì)壘相隔，轉(zhuǎn)移效率提高3、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器364、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講的CCD，信號(hào)電荷是貼近氧化層界面的襯底內(nèi)轉(zhuǎn)移。表面CCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問(wèn)題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。設(shè)法將信號(hào)的轉(zhuǎn)移溝道移到半導(dǎo)體體內(nèi)，即通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)移溝道進(jìn)行離子注入，使勢(shì)能的極小值離界面有一定距離。4、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講37兩種來(lái)源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAtcη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。四、電荷的注入——CCD的MOS電容器中信號(hào)電荷的來(lái)源？１、光注入：分為正面照射式和背面照射式兩種來(lái)源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAt38Qin=ηqANeotcQin=ηqANeotc392、電注入：給CCD勢(shì)阱中注入電荷 通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電路進(jìn)行采樣，然后轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷注入到相應(yīng)的勢(shì)阱中。電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬輸入信號(hào)IG:輸入柵極；當(dāng)CR2為高電平時(shí)，可將ID極看成MOS晶體管的源極，IG為柵極，CR2為漏極。電流注入法結(jié)構(gòu)注入信號(hào)電荷與Uin非線性關(guān)系2、電注入：給CCD勢(shì)阱中注入電荷電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬IG:40五、電荷的檢測(cè)(輸出)—MOS電容器中信號(hào)電荷最后咋輸出？目前的CCD輸出電荷信號(hào)主要是利用電流輸出方式。五、電荷的檢測(cè)(輸出)—MOS電容器中信號(hào)電荷最后咋輸出41電路組成：1輸出二極管反向偏置電路。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，對(duì)于電子來(lái)說(shuō)，N+區(qū)下面相當(dāng)于一個(gè)很深的勢(shì)阱。2源極輸出放大器3復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管TR過(guò)程描述：1.CCD信號(hào)電荷向右轉(zhuǎn)移到最后一級(jí)轉(zhuǎn)移電極CR2；2.CR2電壓由高變低，勢(shì)阱抬高，信號(hào)電荷通過(guò)輸出柵OG下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管中。在輸出二極管反向偏置電路上產(chǎn)生電流ID；3.電流ID造成A點(diǎn)電位發(fā)生變化，檢測(cè)A點(diǎn)電位，可得到注入輸出二極管中的電荷量電路組成：過(guò)程描述：2.CR2電壓由高變低，勢(shì)阱抬高，信號(hào)42輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系。且QS越大，Id越大，從而A點(diǎn)電位就越低。隔直電容只將A點(diǎn)的電位變化取出，然后通過(guò)放大器輸出。復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管TR其作用：迅速排空檢測(cè)二極管的深勢(shì)阱中的剩余電荷，即對(duì)深勢(shì)阱進(jìn)行復(fù)位，從而避免前后兩個(gè)電荷包重疊，為下一個(gè)信號(hào)電荷的檢測(cè)做準(zhǔn)備。過(guò)程：在復(fù)位脈沖RS作用下，TR導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于偏置電阻R，檢測(cè)二極管中的剩余電荷從這流走，恢復(fù)A點(diǎn)高電位。輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系431、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率CCD工作時(shí)電荷從一個(gè)電極經(jīng)多次耦合轉(zhuǎn)移到最后電極并輸出，如果每次轉(zhuǎn)移都會(huì)損失一部分信號(hào)電荷，會(huì)怎樣？電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系：六、CCD的特性參數(shù)——電荷耦合器件的轉(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(lái)勢(shì)阱中的電荷量之比。——表征CCD性能好壞的重要參數(shù)起始時(shí)刻電極下電荷量為Q(0)時(shí)刻t該電極下電荷量為Q(t)起始電荷量為Q(0)，n次轉(zhuǎn)移后輸出的電荷量為Q(0)ηn。若η=0.99,24次轉(zhuǎn)移后剩下79%，1024次后僅剩下3.4%。1、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效44提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵。一般η常為0.999995以上。 怎么提高轉(zhuǎn)移效率呢？分析電荷損失原因：界面態(tài)對(duì)信號(hào)電荷的俘獲解決方法：采用“胖0”工作模式（在CCD中利用電注入的方式在轉(zhuǎn)移溝道中注入胖0電荷）。即讓0信號(hào)也有一定的電荷。“胖0”缺點(diǎn)：“胖0”電荷分量越大，CCD輸出暗電流也越大，并且不能通過(guò)降低器件溫度來(lái)減小。損失率胖0電荷相同驅(qū)動(dòng)頻率,“胖0”多,損失率低；相同

“胖0”,頻率低,損失率低;提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵?！芭?”缺點(diǎn)452、驅(qū)動(dòng)頻率

驅(qū)動(dòng)頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或CR2的頻率。1）驅(qū)動(dòng)頻率的下限

限制來(lái)源：為避免熱激發(fā)少數(shù)載流子的干擾，要求電荷從一個(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)載流子的平均壽命為τi。載流子平均壽命與溫度有關(guān)，溫度高壽命短。三相CCD：2）驅(qū)動(dòng)頻率的上限 限制來(lái)源：為保證信號(hào)電荷能夠跟上驅(qū)動(dòng)變化，否則轉(zhuǎn)移效率大大下降。因此，要求轉(zhuǎn)移時(shí)間t要大于電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間為τg。2、驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或C46對(duì)于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道CCD的工作頻率高。圖示為：三相多晶硅n型表面溝道（SCCD）的實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率與電荷轉(zhuǎn)移損失率ε之間的關(guān)系曲線。 由曲線可以看出，表面溝道CCD驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的上限為10MHz，高于10MHz以后，CCD的轉(zhuǎn)移損失率將急驟增加。體溝道CCD的驅(qū)動(dòng)頻率要高一些，目前，最高驅(qū)動(dòng)頻率已經(jīng)達(dá)到240MHz。這對(duì)CCD在高速成像系統(tǒng)中的應(yīng)用很重要。10-110-210-3*10-4對(duì)于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道C47七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一）工作原理電荷耦合攝像器件(ICCD):用于攝像或像敏的CCD;ICCD功能：把光學(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)。線陣CCD: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)。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號(hào)，必須使線陣CCD與二維圖像作相對(duì)的掃描運(yùn)動(dòng)，所以用線陣CCD對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行掃描成像是非常方便的。應(yīng)用：掃描儀、傳真機(jī)、航空?qǐng)D像掃描系統(tǒng)面陣CCD:二維的圖像傳感器，可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出。七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一481、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣ICCD轉(zhuǎn)移次數(shù)較多,效率低，適用于像元數(shù)較少的攝像器件。光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個(gè)單元溝阻組成:光敏陣列+轉(zhuǎn)移柵+CCD模擬移位寄存器+輸出放大器。光敏陣列：由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管;光敏陣列與CCD之間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵相連，既可以隔離二者，又可以溝通二者。1、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣I49單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個(gè)單元光注入轉(zhuǎn)移移位輸出光積分時(shí)間光敏陣列與CCD之間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵隔離時(shí)（轉(zhuǎn)移控制柵接低電平）,光敏陣列進(jìn)行光注入(積分),光敏單元不斷積累電荷；轉(zhuǎn)移柵變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，光敏區(qū)所累積的信號(hào)電荷將通過(guò)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器中。在光積分時(shí)間期間（控制柵接低電平時(shí)），CCD模擬移位寄存器在三相交疊脈沖作用下，將信號(hào)電荷一位位移出器件，并經(jīng)過(guò)輸出放大器形成時(shí)序信號(hào)。單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極C50單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過(guò)程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電51單溝道線陣ICCD：?jiǎn)螠系谰€陣ICCD：52(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬移位寄存器和一個(gè)轉(zhuǎn)移柵缺點(diǎn)：由于奇偶信號(hào)電荷分別通過(guò)兩個(gè)模擬移位寄存器和兩個(gè)輸出放大器輸出，導(dǎo)致輸出的奇偶信號(hào)不均勻。優(yōu)點(diǎn):同樣的像敏單元，雙溝道比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移時(shí)間縮短一半，因此轉(zhuǎn)移效率提高。(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬532、面陣CCD分類(lèi)(按照排列方式)：幀轉(zhuǎn)移方式隔列轉(zhuǎn)移方式線轉(zhuǎn)移方式按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面陣CCD。2、面陣CCD分類(lèi)(按照排列方式)：按照一54(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干個(gè)電荷耦合溝道組成,溝道之間用溝阻隔開(kāi),水平電極橫貫各溝道；暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)及單元數(shù)和像敏區(qū)完全相同；暫存區(qū)和行讀出寄存器均用金屬鋁遮蔽。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD組成：1.像敏區(qū)2.信號(hào)電荷暫存區(qū)3.水平讀出寄存器(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干55光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過(guò)程（配合電視制式）：

場(chǎng)正程：像敏區(qū)光積分并存儲(chǔ)信號(hào)電荷；

場(chǎng)逆程：像敏區(qū)信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)；

下一個(gè)場(chǎng)正程：

行逆程：最下面一行信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到行讀出寄存器中,暫存區(qū)下移一行；

行正程：水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)；信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移依賴相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過(guò)程（配合56思考題：光積分期間,轉(zhuǎn)移柵的電壓是高電位還是低電位?為什么？答案：低電平。光積分時(shí)，光生電荷在三個(gè)電極中哪個(gè)下面的勢(shì)阱中？ 答案：三個(gè)電極中加高電平的電極下。場(chǎng)逆程時(shí)，是由圖中哪些脈沖驅(qū)動(dòng)完成幀的轉(zhuǎn)移的？ 答案：ICR1/2/3和SCR1/2/3共六組電極。行正程期間，暫存區(qū)的電位變化嗎？為什么？答案：不變化。原因同1。思考題：光積分期間,轉(zhuǎn)移柵的電壓是高電位還是低電位?為什么？57光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的優(yōu)缺點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光敏單元的尺寸可以很小，傳遞函數(shù)MTF較高；

缺點(diǎn)： 光敏面積所占總面積的比例小。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的優(yōu)缺點(diǎn):58CCD基本工作原理課件59(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD以兩相驅(qū)動(dòng)的面陣CCD為例：工作時(shí)序類(lèi)似幀轉(zhuǎn)移型像敏單元轉(zhuǎn)移控制柵讀出寄存器溝阻(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD以兩相驅(qū)動(dòng)的面陣CCD為例：工60(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD61(3)線轉(zhuǎn)移型面陣CCD線尋址電路垂直輸出寄存器驅(qū)動(dòng)脈沖優(yōu)點(diǎn)：

有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，效率高。

不足：

電路比較復(fù)雜； 特點(diǎn)：取消了存儲(chǔ)區(qū)，多了線尋址電路。 根據(jù)不同尋求，線尋址電路發(fā)出不同的地址選取信號(hào)后，相應(yīng)行一位位輸出。從而非常方便選擇掃描方式，實(shí)現(xiàn)逐行或隔行掃描；還可以工作在線陣CCD的狀態(tài)(3)線轉(zhuǎn)移型面陣CCD線尋址電路垂直輸出寄存器驅(qū)62CCD基本工作原理課件63CCD基本工作原理課件64CCD基本工作原理課件65下面通過(guò)類(lèi)比說(shuō)明CCD

收集、轉(zhuǎn)移和測(cè)量電荷的過(guò)程。小盆虹吸泵雨水量筒CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明下面通過(guò)類(lèi)比說(shuō)明CCD收集、轉(zhuǎn)移和測(cè)量電荷的過(guò)程。小66每個(gè)小盆接到的雨水?dāng)?shù)量不同類(lèi)比中，雨滴表示光子；收集的雨水表示CCD探測(cè)的電荷;小盆表示像元，小盆的深度表示每個(gè)像元可以容納多少電荷；虹吸泵表示CCD的移位寄存器；雨水量筒表示CCD的輸出放大器。CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明每個(gè)小盆接到的類(lèi)比中，雨滴表示光子；CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明67先將雨水向左移動(dòng) 首先，最左邊一行接雨水的小盆將所接的雨水通過(guò)虹吸泵轉(zhuǎn)移到與雨水量筒排成一排的一行小盆（讀出寄存器)中。為了測(cè)量每個(gè)小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵將每個(gè)小盆中的雨水向雨水量筒轉(zhuǎn)移。CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明先將雨水向左移動(dòng) 首先，最左邊一行接雨水的小盆將所接的雨水通68倒空量筒 然后將最靠近量筒小盆中的雨水通過(guò)虹吸泵導(dǎo)入量筒中測(cè)量它的數(shù)量。 每次測(cè)量完成以后，都要將量筒倒空，準(zhǔn)備下一次測(cè)量。圖示的狀態(tài)是一次測(cè)量后的狀態(tài)。CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明倒空量筒 然后將最靠近量筒小盆中的雨水通過(guò)虹吸泵導(dǎo)入量筒中測(cè)69又一次測(cè)量結(jié)束。倒空量筒CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明又一次測(cè)量結(jié)束。倒空量筒CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明70倒空量筒一行電荷測(cè)量結(jié)束。CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明倒空量筒一行電荷測(cè)量結(jié)束。CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明71重復(fù)上述轉(zhuǎn)移－測(cè)量的過(guò)程，直到所有小盆中雨水的數(shù)量都測(cè)量完畢。準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次開(kāi)始接雨水（曝光）。CCD的工作過(guò)程類(lèi)比說(shuō)明重復(fù)上述轉(zhuǎn)移－測(cè)量的過(guò)程，直到所有小盆中雨水的數(shù)量都測(cè)量完畢721、光電轉(zhuǎn)換特性

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，具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子γ可達(dá)到99.7%以上。2、光譜響應(yīng)（二）ICCD的基本特性參數(shù)線性關(guān)系1、光電轉(zhuǎn)換特性2、光譜響應(yīng)（二）ICCD的基本特性參數(shù)73（三）ICCD的動(dòng)態(tài)范圍

1、勢(shì)阱可存儲(chǔ)的最大信號(hào)電荷量取決于CCD的電極面積、器件結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)脈沖電壓幅度等。

2、噪聲

來(lái)源：電荷注入、轉(zhuǎn)移、檢測(cè)復(fù)位

噪聲的度量方法：用等效電子數(shù)表示；（1）光子噪聲（2）電流噪聲（3）胖零噪聲（4）浮獲噪聲（5）輸出噪聲動(dòng)態(tài)范圍定義：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荷量之比。（三）ICCD的動(dòng)態(tài)范圍1、勢(shì)阱可存儲(chǔ)的最大信號(hào)電荷量74（四）ICCD的暗電流及產(chǎn)生原因1、耗盡的硅襯底中電子自價(jià)帶至導(dǎo)帶的本征躍遷2、少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散3、Si-SiO2界面引起的暗電流

(A/cm)

In=10-3δsNss暗電流是大多數(shù)攝像器件共有的特征，是判斷攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。即使沒(méi)有光照或者其他電荷注入時(shí),仍然會(huì)存在。載流子濃度、壽命，耗盡區(qū)寬度（四）ICCD的暗電流及產(chǎn)生原因1、耗盡的硅襯底中電子75（五）ICCD的分辨率—MTF或像元數(shù)

（五）ICCD的分辨率—MTF或像元數(shù)76

二維面陣CCD在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率的要求往往高于垂直分辨率。在評(píng)價(jià)面陣CCD的分辨率時(shí)，只評(píng)價(jià)它的水平分辨率，且利用電視系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法為電視線數(shù)的評(píng)價(jià)方法。電視線評(píng)價(jià)方法表明，在一幅圖像的水平方向能夠分辨出黑白線的條數(shù)為其分辨率。分辨率與水平方向上CCD的像元數(shù)量有關(guān)，像元數(shù)越多，分辨率越高?，F(xiàn)在面陣CCD的分辨率越來(lái)越高。

二維面陣CCD在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的77幾種面陣CCD的參數(shù)幾種面陣CCD的參數(shù)78本講小結(jié)（重點(diǎn)考核內(nèi)容）掌握ICCD工作過(guò)程：光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移、電荷檢測(cè)MOS電容器存儲(chǔ)信號(hào)電荷的原理電荷耦合的原理（理解驅(qū)動(dòng)脈沖和電極配合達(dá)到目的的過(guò)程）CCD電極結(jié)構(gòu)的基本要求及并了解幾種典型的電極結(jié)構(gòu)電荷的注入及電荷的檢測(cè)（理解檢測(cè)電路構(gòu)造及工作過(guò)程）CCD的特性參數(shù)：轉(zhuǎn)移效率（提高方式）和驅(qū)動(dòng)頻率上下限ICCD的工作原理及分類(lèi)（線陣和面陣）掌握線陣及面陣CCD的結(jié)構(gòu)組成，并理解工作過(guò)程；了解ICCD的基本特性參數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、暗電流、分辨率本章課后習(xí)題會(huì)做（下頁(yè)P(yáng)PT）本講小結(jié)（重點(diǎn)考核內(nèi)容）掌握ICCD工作過(guò)程：光電轉(zhuǎn)換、電荷79CCD基本工作原理課件80教學(xué)進(jìn)度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本工作原理典型面陣ICCD視頻信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集圖像傳感器的典型應(yīng)用典型線陣ICCD圖像傳感器基本原理及電視制式教學(xué)進(jìn)度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本81第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出特點(diǎn)：以電荷為信號(hào)載體；CCD的基本功能：電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移；CCD圖像傳感器的基本工作過(guò)程：光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷）電荷的儲(chǔ)存（存儲(chǔ)信號(hào)電荷-光積分）電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷）電荷的檢測(cè)（將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）光電二極管FD放大器CCD第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出82CCD的工作過(guò)程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷收集4電荷轉(zhuǎn)移5電荷測(cè)量視頻輸出CCD的工作過(guò)程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成83電荷存儲(chǔ)電荷耦合CCD電極結(jié)構(gòu)電荷注入和檢測(cè)CCD特性參數(shù)電荷耦合攝像器件：工作原理、特性參數(shù)第五講CCD圖像傳感器基本工作原理電荷存儲(chǔ)第五講CCD圖像傳感器基本工作原理84一、電荷存儲(chǔ)——光電轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)電荷怎么存儲(chǔ)？信號(hào)電荷以何種機(jī)制儲(chǔ)存？信號(hào)電荷是空穴還是電子？——CCD多用電子利用電子可以被高電勢(shì)所吸引的性質(zhì)。

在光電二極管中，不管用什么方法只要做出高于周?chē)妱?shì)的部分，信號(hào)電荷(電子)就可以在此集中儲(chǔ)存。

電勢(shì)阱：儲(chǔ)存信號(hào)電荷的電勢(shì)分布狀態(tài)為了存儲(chǔ)電荷必須制造一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量收集起來(lái)，而且保證所收集電荷不被復(fù)合。一、電荷存儲(chǔ)——光電轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)電荷怎么存儲(chǔ)？信號(hào)電荷以85MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS單元組成，它具有存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信息的能力，故又稱為動(dòng)態(tài)移位寄存器。

MOS電容器有二種類(lèi)型：表面溝道和掩埋溝道。這二種類(lèi)型MOS電容器的制造只有些許不同；然而，由于埋溝電容結(jié)構(gòu)具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此這種結(jié)構(gòu)成了CCD制造工藝的首選。事實(shí)上今天制造的所有CCD幾乎都利用埋溝結(jié)構(gòu)。

CCD的構(gòu)成基礎(chǔ)：MOS電容器(Metal-Oxide-Semiconductor)

金屬-氧化物-半導(dǎo)體

MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS86

MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體硅襯底上，生長(zhǎng)一層很薄的SiO2絕緣層，再蒸鍍上一層金屬(鋁)或高摻雜的多晶硅作為柵電極。襯底接地，柵極外接電壓。

半導(dǎo)體作為底電極，稱為“襯底”。襯底分為P型硅襯底和N型硅襯底，它對(duì)應(yīng)不同的溝道形式，由于電子遷移率高，所以，大多數(shù)CCD選用P型硅襯底。MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體87當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時(shí)，P型襯底中的空穴從界面處被排斥到襯底的另一側(cè)，在Si表面處只留下一層不能移動(dòng)的受主離子，這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”，形成圖中的充電區(qū)域(空間電荷區(qū))稱作耗盡區(qū)。（相當(dāng)于MOS電容器充負(fù)電）UG為零時(shí)，Si表面沒(méi)有電場(chǎng)的作用，其多數(shù)載流子濃度與體內(nèi)一樣。Si本身呈電中性。P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴。當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時(shí)，P型襯底中的空穴從88正電壓UG進(jìn)一多增加，當(dāng)UG超過(guò)某一閾值Uth時(shí)，將使得半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）被吸引到半導(dǎo)體表面附近，形成一層極?。ê穸燃s10nm）但電荷濃度很高的反型層。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。（電勢(shì)能最低點(diǎn)）

反型層電荷的存在表明MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。正電壓UG進(jìn)一多增加，當(dāng)UG超過(guò)某一閾值Uth89表面勢(shì)：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢(shì)。表面勢(shì)表征了耗盡區(qū)的深度，與柵極電壓和氧化層厚度有關(guān)不同氧化層厚度不存在反型層電荷時(shí)勢(shì)阱：由表面勢(shì)產(chǎn)生的阱狀空間。有的定義為：存儲(chǔ)電荷的電勢(shì)分布狀態(tài)。電極上的電壓越大，勢(shì)阱越深，可存儲(chǔ)的電荷量越多，也就代表了CCD器件具有電荷存儲(chǔ)功能。

理論分析參見(jiàn)半導(dǎo)體物理表面勢(shì)：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢(shì)。不同氧90

柵極電壓不變時(shí)，表面勢(shì)與反型層電荷密度的關(guān)系：柵極電壓不變時(shí)，表面勢(shì)與反型層電荷密度的關(guān)系：91反型層電荷填充勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮的情況：勢(shì)阱存信號(hào)電荷類(lèi)似水桶盛水水桶模型溢出現(xiàn)象反型層電荷填充勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮的情況：勢(shì)阱存信號(hào)電荷類(lèi)似水92電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電子－空穴對(duì)耗盡區(qū)埋溝電容是在一個(gè)p-型襯底上建造的；在p-型襯底表面上形成一個(gè)n-型區(qū)(~1μm厚)；然后，生長(zhǎng)出一層薄的二氧化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅層上用金屬或高摻雜的多晶硅制作電極或柵極；至此完成了MOS電容的制作。電子的勢(shì)能：q是電子的電荷量，而為靜電勢(shì)2-6電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電93無(wú)偏置時(shí)，n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴(kuò)散，p-型層內(nèi)含有多余的空穴并向n-型層擴(kuò)散；這個(gè)結(jié)構(gòu)與二極管結(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同。上述的擴(kuò)散產(chǎn)生了內(nèi)部電場(chǎng)，在n-型層內(nèi)電勢(shì)達(dá)到最大。np沿此線的電勢(shì)示于上圖.電勢(shì)CCD厚度方向的截面圖這種‘埋溝’結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能使光生電荷離開(kāi)CCD表面，因?yàn)樵贑CD表面缺欠多，光生電荷會(huì)被俘獲。這種結(jié)構(gòu)還可以降低熱噪聲（暗電流）。電荷的收集MOS電容器電子勢(shì)能最小的地方位于n-型區(qū)內(nèi)并與硅-二氧化硅(Si-SiO2)的交界面有一定距離這個(gè)勢(shì)能最小(或電位最高)的地方就是多余電子聚集的地方。無(wú)偏置時(shí)，n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴(kuò)散，p-型94CCD曝光時(shí)，每個(gè)像元有一個(gè)電極處于高電位。硅片中這個(gè)電極下的電勢(shì)將增大，成為光電子收集的地方，稱為勢(shì)阱。其附近的電極處于低電位，形成了勢(shì)壘，并確定了這個(gè)像元的邊界。像元水平方向上的邊界由溝阻確定。電荷的收集MOS電容器電勢(shì)電勢(shì)勢(shì)能勢(shì)能CCD曝光時(shí)，每個(gè)像元有一個(gè)電極處于高電位。硅95CCD曝光時(shí)，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢(shì)阱里收集。隨著電荷的增加，電勢(shì)將逐漸變低，勢(shì)阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達(dá)到飽和。勢(shì)阱能容納的最多電荷稱為滿阱電荷數(shù)。np電勢(shì)最大電勢(shì)區(qū)電荷的收集MOS電容器CCD曝光時(shí)，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢(shì)阱里收集96實(shí)際的埋溝結(jié)構(gòu)埋溝結(jié)構(gòu)的兩邊各有一個(gè)比較厚(~0.5-1.5μm)的場(chǎng)氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的p-型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢(shì)對(duì)柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢(shì)壘。電荷的收集MOS電容器柵極N型埋溝場(chǎng)氧化物溝阻P型襯底耗盡區(qū)信號(hào)電荷氧化物實(shí)際的埋溝結(jié)構(gòu)電荷的收集MOS電容器柵極N型埋溝場(chǎng)氧化物97埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點(diǎn)是：能在單一電極之下的一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勢(shì)阱；能調(diào)整或控制柵極下面的勢(shì)能；儲(chǔ)存電荷的位置(勢(shì)能最小處)離Si-Si02交界面有一定的距離；低的暗電流使其能夠長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存信號(hào)電荷(取決于工作條件可以從數(shù)十秒到數(shù)小時(shí))；所收集的電荷可以通過(guò)光照、電注入等產(chǎn)生；能快速地將電荷從一個(gè)電極之下的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到下一個(gè)鄰近的電極下面，而且損失非常低。電荷的收集MOS電容器埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點(diǎn)是：電荷的收集MOS電容器98像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2絕緣層電極結(jié)構(gòu)像元邊界入射的光子光子入射到CCD中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子向器件中電勢(shì)最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個(gè)電荷包對(duì)應(yīng)一個(gè)像元。電荷的收集電荷收集的效率與電勢(shì)的分布、復(fù)合壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān)。像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2絕緣層電極結(jié)構(gòu)像元邊99二、電荷耦合——MOS電容器中存儲(chǔ)的電荷如何移動(dòng)？顯微鏡下的MOS元表面P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)原理：利用電勢(shì)阱移動(dòng)信號(hào)電荷類(lèi)比：水按順序傾倒到相鄰水桶問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)？

時(shí)序驅(qū)動(dòng)脈沖二、電荷耦合——MOS電容器中存儲(chǔ)的電荷如何移動(dòng)？顯微鏡下的100以三相CCD為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程:電極僅靠勢(shì)阱合并

每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極,依次在上面施加三個(gè)相位不同的控制脈沖以三相CCD為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程:電極僅靠101CCD基本工作原理課件102三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過(guò)程三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過(guò)程103注意各個(gè)電極上電壓的變化:注意各個(gè)電極上電壓的變化:104CCD基本工作原理課件105驅(qū)動(dòng)脈沖波形設(shè)計(jì)三相普通結(jié)構(gòu)CCD假設(shè)初始時(shí)刻電荷存儲(chǔ)在電極Ф1下，向右定向移動(dòng)從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3100100100—t1110110110—t2010010010—t3011011011—t4001001001—t5101101101—t6100100100—t7TT驅(qū)動(dòng)脈沖波形設(shè)計(jì)三相普通結(jié)構(gòu)CCD從上到下依次為Ф1Ф2106作業(yè)一設(shè)計(jì)由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖。

設(shè)計(jì)要求：信號(hào)電荷最初僅存在于電極Ф2下，并要求信號(hào)電荷從左到右在CCD中定向移動(dòng)。

波形分析：根據(jù)驅(qū)動(dòng)波形知道驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比為多少？驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序上的關(guān)系（Ф2比Ф1延遲多長(zhǎng)時(shí)間）？

驅(qū)動(dòng)電路：相應(yīng)的時(shí)序電路如何設(shè)計(jì)？從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3Ф4作業(yè)一設(shè)計(jì)由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖。107說(shuō)明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖。 CCD工作所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖相數(shù)由其電極結(jié)構(gòu)決定。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的CCD，為了使電荷包單向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的CCD，也可采用二相供電或四相供電等方式。

信號(hào)電荷必須在相應(yīng)驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，才能以一定方向逐單元地轉(zhuǎn)移。

CCD電極間隙必須很小（不大于3微米），電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下；如果電極間隙過(guò)大，兩電極的勢(shì)阱就被勢(shì)壘隔開(kāi)，不能合并，也就不能發(fā)生移動(dòng)了。說(shuō)明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣108CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；CCD轉(zhuǎn)移電極基本要求： 電荷定向轉(zhuǎn)移 相鄰勢(shì)阱耦合三、CCD的電極結(jié)構(gòu)——信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)接入CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；三、CCD的電極結(jié)構(gòu)1091、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)采用對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)，三相CCD是最簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谀骋淮_定的時(shí)刻，對(duì)存貯有電荷的電極而言，兩個(gè)相鄰電極，需要一個(gè)被“打”開(kāi)，另一個(gè)保持“關(guān)”閉，以阻止電荷倒流。通常這種電極結(jié)構(gòu)有三種形式：三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)1、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)110（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成一層0.1μm的SiO2，而后在SiO2上蒸發(fā)一層鋁，采用光刻工藝形成間隙很窄的電極。

結(jié)構(gòu)存在明顯的缺點(diǎn)：電極間隙處SiO2表面裸露在周?chē)鷼夥罩?，有可能沾污SiO2表面，造成表面勢(shì)不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)移效率。（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成111（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的方法之一就是引用硅柵結(jié)構(gòu)。在氧化物層上沉積一層多晶硅，然后按要求對(duì)電極區(qū)域選擇摻雜(硼或磷)，形成圖中的低阻多晶電極，電極間互連和焊接區(qū)采用蒸鋁來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：封閉式，性能穩(wěn)定，成品率高；缺點(diǎn)：由于光刻和多晶硅定域摻雜難以保證電極間高阻區(qū)很窄，使得每個(gè)單元尺寸較大，這樣的結(jié)構(gòu)僅用于小型列陣器件。（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的112（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)構(gòu)形式。電極間窄間隙，又封閉的電極結(jié)構(gòu)。三相交疊電極可以是多晶硅，也可以是鋁金屬，或者兩種混用。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)113（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)

三相交疊硅柵的形成工藝：先在硅表面生成一層高質(zhì)量的氧化物（柵氧），跟著沉積一層多晶硅，摻雜后按規(guī)定圖案光刻出第一組電極；而后再進(jìn)行熱氧化，形成一層氧化物，再沉積多晶硅、摻雜，第二次光刻出第二組電極；第三組電極形成方法與第二組電極相同。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵的形成工藝：先在1142、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下工作，電極本身必須設(shè)計(jì)成不對(duì)稱性，在這種不對(duì)稱電極下產(chǎn)生體內(nèi)勢(shì)壘，即由電極本身保證電荷能定向運(yùn)動(dòng)。

常用方法：利用絕緣層厚度不同的臺(tái)階和離子注入產(chǎn)生的勢(shì)壘優(yōu)點(diǎn)：二相時(shí)鐘方法的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：厚氧化層下面是阻擋勢(shì)壘，不能存貯電荷，加之勢(shì)阱勢(shì)壘差減小，所以，能夠存貯在勢(shì)阱中的信號(hào)電荷量比三相時(shí)鐘情況少。一相電極2、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時(shí)鐘1153、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器件、二相器件相比，較為適合于工作時(shí)鐘頻率很高的情況(如100MHz)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)波形接近正弦波。雙重勢(shì)壘相隔，轉(zhuǎn)移效率提高3、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器1164、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講的CCD，信號(hào)電荷是貼近氧化層界面的襯底內(nèi)轉(zhuǎn)移。表面CCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問(wèn)題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。設(shè)法將信號(hào)的轉(zhuǎn)移溝道移到半導(dǎo)體體內(nèi)，即通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)移溝道進(jìn)行離子注入，使勢(shì)能的極小值離界面有一定距離。4、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講117兩種來(lái)源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAtcη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。四、電荷的注入——CCD的MOS電容器中信號(hào)電荷的來(lái)源？１、光注入：分為正面照射式和背面照射式兩種來(lái)源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAt118Qin=ηqANeotcQin=ηqANeotc1192、電注入：給CCD勢(shì)阱中注入電荷 通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電路進(jìn)行采樣，然后轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷注入到相應(yīng)的勢(shì)阱中。電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬輸入信號(hào)IG:輸入柵極；當(dāng)CR2為高電平時(shí)，可將ID極看成MOS晶體管的源極，IG為柵極，CR2為漏極。電流注入法結(jié)構(gòu)注入信號(hào)電荷與Uin非線性關(guān)系2、電注入：給CCD勢(shì)阱中注入電荷電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬IG:120五、電荷的檢測(cè)(輸出)—MOS電容器中信號(hào)電荷最后咋輸出？目前的CCD輸出電荷信號(hào)主要是利用電流輸出方式。五、電荷的檢測(cè)(輸出)—MOS電容器中信號(hào)電荷最后咋輸出121電路組成：1輸出二極管反向偏置電路。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，對(duì)于電子來(lái)說(shuō)，N+區(qū)下面相當(dāng)于一個(gè)很深的勢(shì)阱。2源極輸出放大器3復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管TR過(guò)程描述：1.CCD信號(hào)電荷向右轉(zhuǎn)移到最后一級(jí)轉(zhuǎn)移電極CR2；2.CR2電壓由高變低，勢(shì)阱抬高，信號(hào)電荷通過(guò)輸出柵OG下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管中。在輸出二極管反向偏置電路上產(chǎn)生電流ID；3.電流ID造成A點(diǎn)電位發(fā)生變化，檢測(cè)A點(diǎn)電位，可得到注入輸出二極管中的電荷量電路組成：過(guò)程描述：2.CR2電壓由高變低，勢(shì)阱抬高，信號(hào)122輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系。且QS越大，Id越大，從而A點(diǎn)電位就越低。隔直電容只將A點(diǎn)的電位變化取出，然后通過(guò)放大器輸出。復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管TR其作用：迅速排空檢測(cè)二極管的深勢(shì)阱中的剩余電荷，即對(duì)深勢(shì)阱進(jìn)行復(fù)位，從而避免前后兩個(gè)電荷包重疊，為下一個(gè)信號(hào)電荷的檢測(cè)做準(zhǔn)備。過(guò)程：在復(fù)位脈沖RS作用下，TR導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于偏置電阻R，檢測(cè)二極管中的剩余電荷從這流走，恢復(fù)A點(diǎn)高電位。輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系1231、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率CCD工作時(shí)電荷從一個(gè)電極經(jīng)多次耦合轉(zhuǎn)移到最后電極并輸出，如果每次轉(zhuǎn)移都會(huì)損失一部分信號(hào)電荷，會(huì)怎樣？電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系：六、CCD的特性參數(shù)——電荷耦合器件的轉(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(lái)勢(shì)阱中的電荷量之比?！碚鰿CD性能好壞的重要參數(shù)起始時(shí)刻電極下電荷量為Q(0)時(shí)刻t該電極下電荷量為Q(t)起始電荷量為Q(0)，n次轉(zhuǎn)移后輸出的電荷量為Q(0)ηn。若η=0.99,24次轉(zhuǎn)移后剩下79%，1024次后僅剩下3.4%。1、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效124提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵。一般η常為0.999995以上。 怎么提高轉(zhuǎn)移效率呢？分析電荷損失原因：界面態(tài)對(duì)信號(hào)電荷的俘獲解決方法：采用“胖0”工作模式（在CCD中利用電注入的方式在轉(zhuǎn)移溝道中注入胖0電荷）。即讓0信號(hào)也有一定的電荷?！芭?”缺點(diǎn)：“胖0”電荷分量越大，CCD輸出暗電流也越大，并且不能通過(guò)降低器件溫度來(lái)減小。損失率胖0電荷相同驅(qū)動(dòng)頻率,“胖0”多,損失率低；相同

“胖0”,頻率低,損失率低;提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵?！芭?”缺點(diǎn)1252、驅(qū)動(dòng)頻率

驅(qū)動(dòng)頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或CR2的頻率。1）驅(qū)動(dòng)頻率的下限

限制來(lái)源：為避免熱激發(fā)少數(shù)載流子的干擾，要求電荷從一個(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)載流子的平均壽命為τi。載流子平均壽命與溫度有關(guān)，溫度高壽命短。三相CCD：2）驅(qū)動(dòng)頻率的上限 限制來(lái)源：為保證信號(hào)電荷能夠跟上驅(qū)動(dòng)變化，否則轉(zhuǎn)移效率大大下降。因此，要求轉(zhuǎn)移時(shí)間t要大于電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間為τg。2、驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或C126對(duì)于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道CCD的工作頻率高。圖示為：三相多晶硅n型表面溝道（SCCD）的實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率與電荷轉(zhuǎn)移損失率ε之間的關(guān)系曲線。 由曲線可以看出，表面溝道CCD驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的上限為10MHz，高于10MHz以后，CCD的轉(zhuǎn)移損失率將急驟增加。體溝道CCD的驅(qū)動(dòng)頻率要高一些，目前，最高驅(qū)動(dòng)頻率已經(jīng)達(dá)到240MHz。這對(duì)CCD在高速成像系統(tǒng)中的應(yīng)用很重要。10-110-210-3*10-4對(duì)于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道C127七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一）工作原理電荷耦合攝像器件(ICCD):用于攝像或像敏的CCD;ICCD功能：把光學(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)。線陣CCD: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)。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號(hào)，必須使線陣CCD與二維圖像作相對(duì)的掃描運(yùn)動(dòng)，所以用線陣CCD對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行掃描成像是非常方便的。應(yīng)用：掃描儀、傳真機(jī)、航空?qǐng)D像掃描系統(tǒng)面陣CCD:二維的圖像傳感器，可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出。七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一1281、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣ICCD轉(zhuǎn)移次數(shù)較多,效率低，適用于像元數(shù)較少的攝像器件。光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個(gè)單元溝阻組成:光敏陣列+轉(zhuǎn)移柵+CCD模擬移位寄存器+輸出放大器。光敏陣列：由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管;光敏陣列與CCD之間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵相連，既可以隔離二者，又可以溝通二者。1、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣I129單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個(gè)單元光注入轉(zhuǎn)移移位輸出光積分時(shí)間光敏陣列與CCD之間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵隔離時(shí)（轉(zhuǎn)移控制柵接低電平）,光敏陣列進(jìn)行光注入(積分),光敏單元不斷積累電荷；轉(zhuǎn)移柵變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，光敏區(qū)所累積的信號(hào)電荷將通過(guò)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器中。在光積分時(shí)間期間（控制柵接低電平時(shí)），CCD模擬移位寄存器在三相交疊脈沖作用下，將信號(hào)電荷一位位移出器件，并經(jīng)過(guò)輸出放大器形成時(shí)序信號(hào)。單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極C130單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過(guò)程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出單溝道線陣ICCD工作過(guò)程描述：轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電131單溝道線陣ICCD：?jiǎn)螠系谰€陣ICCD：132(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬移位寄存器和一個(gè)轉(zhuǎn)移柵缺點(diǎn)：由于奇偶信號(hào)電荷分別通過(guò)兩個(gè)模擬移位寄存器和兩個(gè)輸出放大器輸出，導(dǎo)致輸出的奇偶信號(hào)不均勻。優(yōu)點(diǎn):同樣的像敏單元，雙溝道比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移時(shí)間縮短一半，因此轉(zhuǎn)移效率提高。(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬1332、面陣CCD分類(lèi)(按照排列方式)：幀轉(zhuǎn)移方式隔列轉(zhuǎn)移方式線轉(zhuǎn)移方式按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面陣CCD。2、面陣CCD分類(lèi)(按照排列方式)：按照一134(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干個(gè)電荷耦合溝道組成,溝道之間用溝阻隔開(kāi),水平電極橫貫各溝道；暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)及單元數(shù)和像敏區(qū)完全相同；暫存區(qū)和行讀出寄存器均用金屬鋁遮蔽。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD組成：1.像敏區(qū)2.信號(hào)電荷暫存區(qū)3.水平讀出寄存器(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干135光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過(guò)程（配合電視制式）：

場(chǎng)正程：像敏區(qū)光積分并存儲(chǔ)信號(hào)電荷；

場(chǎng)逆程：像敏區(qū)信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)；

下一個(gè)場(chǎng)正程：

行逆程：最下面一行信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到行讀出寄存器中,暫存區(qū)下移一行；

行正程：水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)；信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移依賴相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過(guò)程（配合136思考題：光積分期間,轉(zhuǎn)移柵的電壓是高電位還是低電位?為什么？答案：低電平。光積分時(shí)，光生電荷在三個(gè)電極中哪個(gè)下面的勢(shì)阱中？ 答案：三個(gè)電極中加高電平的電極下。場(chǎng)逆程時(shí)，是由圖中哪些脈沖