新型傳感器第三章電荷耦合器件

新型傳感器第三章電荷耦合器件第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日精彩圖片欣賞（2）第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日精彩圖片欣賞（3）第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日精彩圖片欣賞（4）第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日精彩圖片欣賞（5）第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日精彩圖片欣賞（6）第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日精彩圖片欣賞（7）第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日精彩圖片欣賞（8）是誰將美麗留駐？第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日第一節(jié)CCD的物理基礎(chǔ)

第二節(jié)CCD工作原理第三節(jié)CCD器件第四節(jié)CCD的應(yīng)用

第3章電荷耦合器件ChargeCoupledDevice—CCD第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD）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。第一節(jié)CCD的物理基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等一系列功能。金屬SiO2p-SiVG1200-1500A第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日具有以下一些特點(diǎn)：一般特性：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長。分辨率高：線陣7000Pixel、分辨能力7m，面陣4096×4096，整機(jī)分辨能力1000線以上。兼容性：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)。分類：線陣和面陣器件。光電特性：靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大。靈敏度0.01Lx，動(dòng)態(tài)范圍106：1，信噪比60～70dB。第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、穩(wěn)態(tài)情況MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)VG＞01、VG＜0。金屬電極上加負(fù)電壓2、半導(dǎo)體表面的表面勢VS0，3、排斥電子、吸引空穴4、近表面處的空穴濃度增大。多數(shù)載流子堆積狀態(tài)p-SiVGp-SiVG第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日VG＞0。MOS狀態(tài)的定性分析(一)半導(dǎo)體表面內(nèi)排斥空穴、吸引電子，形成負(fù)耗盡區(qū)。耗盡區(qū)稱為電子“勢阱”。勢阱深度就是指耗盡層的厚度。耗盡狀態(tài)第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日在n型p型之間仍是耗盡層。MOS狀態(tài)的定性分析(二)—弱反型VG＞

Vth，強(qiáng)電場將p中少子吸引到半導(dǎo)體表面。電子在p型硅表面形成n型薄層，即弱反型狀態(tài)。第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日MOS達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。MOS狀態(tài)的定性分析(三)—強(qiáng)反型VG＞Vth

繼續(xù)增大。界面下電子濃度等于襯底受主濃度(多子濃度)，即強(qiáng)反型狀態(tài)。第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日耗盡層的寬度保持其最大值不變。MOS狀態(tài)的定性分析(四)—強(qiáng)反型VG＞Vth

，繼續(xù)增大反型層內(nèi)的電子數(shù)量增加，達(dá)到最大值。第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日反型層狀態(tài)的定量分析表面：MOS結(jié)構(gòu)的襯底與氧化物之間的交界面；出現(xiàn)“強(qiáng)反型”的條件是表面勢VS為：式中：NA為p-Si摻雜濃度；ni=(n0p0)1/2；n0、p0體內(nèi)熱平衡時(shí)的電子濃度和空穴濃度。p-SiVGVS表面勢：表面的電動(dòng)勢vox第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日理論上，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。從電路看，表面勢VS為 -----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.Vth=VS+Vox p-SiVGVSvox其中：VS=VG-Vox閾值電壓：第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、非穩(wěn)態(tài)情況MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)動(dòng)態(tài)過程：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)。反型層中電子來源主要是耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的電子空穴對(duì)的電子。 從非平衡態(tài)的建立開始到達(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。0：耗盡區(qū)少子壽命；ni：本征載流子濃度；NA：受主濃度第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日達(dá)熱平衡之前，MOS結(jié)構(gòu)中是空的電子勢阱。從表面一直到體內(nèi)較深處（稱深耗盡）。如果用信號(hào)電子QS注入勢阱，勢阱變淺；當(dāng)表面勢VS下降至兩倍費(fèi)米電勢時(shí)，勢阱“充滿”，不再能吸納信號(hào)電子。非穩(wěn)態(tài)時(shí)，VS大，勢阱深。勢阱所能容納的最大電荷量近似為：QS=CoxVGAd第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二節(jié)CCD的工作原理1、采用單層單電極，勢阱對(duì)稱。時(shí)鐘脈沖控制電荷傳輸方向，防止電荷倒流。一、CCD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，稱作“相”。電極結(jié)構(gòu)分為二相、三相、四相三類。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)：第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日

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)簡單。二相電極結(jié)構(gòu)：氧化層厚度大或摻雜濃度高的地方勢阱淺，氧化層厚度薄或摻雜濃度低的地方勢阱深。1、施加電壓后，形成不對(duì)稱的勢阱，第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、CCD的電荷轉(zhuǎn)移1、三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日2、二相CCD的電荷轉(zhuǎn)移第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日3、CCD的電荷輸出（1）電流輸出方式：4、輸出線性與輸出二極管結(jié)電容大小有關(guān)，輸出信噪比取決于體外放大器。3、電荷轉(zhuǎn)移到輸出擴(kuò)散結(jié)本質(zhì)上是無噪聲的。2、電荷包進(jìn)入3下后→3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，通過負(fù)載電阻流入體外放大器。1、構(gòu)成：輸出柵OG、輸出反向二極管、片外放大器。-+VBLPFC第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日式中，gm為T1柵極與源極之間的跨導(dǎo)。（2）電壓輸出方式：在體外集成復(fù)位管T1和放大管T2。1、在3下的勢阱形成之前，加r，把浮置擴(kuò)散區(qū)上一周期的剩余電荷通過T2的溝道抽走。

式中，CFD為浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容。所有的單元做在同一襯底上，抗噪聲性能比電流輸出好。voutT2ΔvoutT1ΦrVcc浮置擴(kuò)散放大器:原理:2、當(dāng)信號(hào)電荷到來時(shí)，T1截止，信號(hào)電荷控制T2的柵極電位：Vout=Qs/CFD3、在輸出端獲得的放大了的信號(hào)電壓為第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日4、CCD的特性參數(shù)沒有被轉(zhuǎn)移Q’（=Q1-Q0）與原有Q0之比值，稱作轉(zhuǎn)移損失率。電荷轉(zhuǎn)移效率及電荷轉(zhuǎn)移損失率1)、定義：當(dāng)前電極下Q1與上一電極Q0的比值，稱作轉(zhuǎn)移效率。

第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日4、CCD的特性參數(shù)2)、計(jì)算式：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。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：Qn/Q0=n=(

)n

e-n結(jié)論：第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日2、計(jì)算式：N/fL≤

（or）fL

≥N/（相數(shù)N=2、3、4）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fL

和fh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)的少子過多填入勢阱，降低輸出信號(hào)的信噪比。Th/3=1/(3fh)tm

（or）fh(3tm)-1

（相數(shù)N=2、3、4）工作頻率的上限fh：工作頻率下限fL：結(jié)論：第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

2、計(jì)算式：

Nmax=CoxVGAd/q

=VG

0sAd2/dq一定柵極電壓作用下，勢阱中能容納的最大電荷量電荷貯存容量可以近似地當(dāng)作電容對(duì)電荷的存儲(chǔ)來分析Qs=CoxVGAd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，則勢阱中最大電荷貯存容量為：1、定義：舉例第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日設(shè)電極下氧化層厚度d＝1500nm，VG＝10V，s=3.9,0＝8.85×10-2pF/cm、q=1.6×1019C、Ad＝1cm2。計(jì)算得Nmax=7×106，可容納1000Lx的光照射2ns所產(chǎn)生的載流子電荷貯存容量3、舉例：第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日入射在CCD象元上的單位能流密度所產(chǎn)生的輸出電壓Vs的大小，用SV表示。靈敏度2、計(jì)算式：1、定義：第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、定義：在一定的測試條件下，CCD能傳感的景物光學(xué)信息的最小空間分布，用Tx表示。2、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。分辨率第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、定義：指器件在相同光能量照射下，輸出的電壓Vs與光波長之間的關(guān)系。光譜響應(yīng)隨光波長的變化而變化的關(guān)系稱為光譜響應(yīng)函數(shù)光譜響應(yīng)2、光譜響應(yīng)率由器件光敏區(qū)材料決定。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三節(jié)CCD器件一、典型的CCD結(jié)構(gòu)單溝道線陣CCD結(jié)構(gòu)移位寄存器CCD轉(zhuǎn)移柵光柵光敏元輸出第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日雙溝道線陣CCD結(jié)構(gòu)第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日幀轉(zhuǎn)移CCD結(jié)構(gòu)行間轉(zhuǎn)移CCD結(jié)構(gòu)攝像器件第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、典型的CCD器件及其驅(qū)動(dòng)TCD142D型CCD5、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 性能參數(shù)：1、象素(象元)：2048位線陣2、相數(shù)：二相。3、像元尺寸：14m，光敏陣列總長28672m4、引腳：1A、2A、1B、2B均為時(shí)鐘端、SH為移動(dòng)?xùn)?、RS為復(fù)位柵,OS為移動(dòng)?xùn)拧OS為補(bǔ)償輸出端、OD為電源端、SS為接地端、NC空閑。第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日TCD142D驅(qū)動(dòng)波形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的沒有驅(qū)動(dòng)脈沖干擾的光電信號(hào)。1、SH為同步脈沖，B時(shí)段，光敏區(qū)與移位寄存器之間的勢阱溝通，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TSH>1061T1。第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日TCD142D驅(qū)動(dòng)電路三、CCD器件的選擇（自學(xué)）第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日第四節(jié)CCD的應(yīng)用一、尺寸測量測量精度：外徑±0.1mm壁厚±0.05mm設(shè)計(jì)思想（……）設(shè)計(jì)指標(biāo)玻璃管平均外徑：12mm壁厚：1.2mm第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日根據(jù)CCD測量靈敏度的需要，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1024×14μm=14.336mm）。則：d1=n1·t/

d2=n2·t/

D=N·t/

光學(xué)參數(shù)計(jì)算設(shè)：物鏡放大率：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：，脈沖數(shù)：N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外徑及壁厚測量精度要求反應(yīng)在像面上為：0.08mm及0.04mm。第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、位移測量設(shè)計(jì)思想（……）設(shè)計(jì)指標(biāo)：最大電動(dòng)程：3mm最小微位移：0.004mm測量儀器設(shè)計(jì)確定：測量范圍：0～3.5mm靈敏度：≥0.003mm測量誤差：0.1非接觸在線測量第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日 式中：N為M1—M2之間的象素?cái)?shù)量。L=(LBa’-LBa)+0.5(Wa’b’-Wab)

L=(NL-NL’)+0.5(NW-NW’)分析設(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=N·t第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日計(jì)數(shù)電路當(dāng)S’OUT為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開始對(duì)M計(jì)數(shù)，直至S’OUT為低電平止。以SH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r

，開啟4040對(duì)M計(jì)數(shù)，直至S’OUT出現(xiàn)。記錄NL：記錄NW

：第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、信號(hào)的二值化第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、數(shù)碼相機(jī)成像第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路象方遠(yuǎn)心光路第五十頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、當(dāng)VG＝0時(shí)，半導(dǎo)體的能帶并不是平的，而是向上有所彎曲。平帶電壓1、為了使能帶變平，需要附加一定的電壓，這個(gè)電壓稱平帶電壓，用VFB表示。2、這是由于界面處有一定的正電荷存在，在氧化物中有可移動(dòng)的電荷，界面處的能帶稍向上彎曲。2、考慮到VFB，柵極上所加的電壓必須是VG＞(Vth+VFB)。第五十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日CCD的電荷轉(zhuǎn)移每一象素（象元）含有若干CCD電極第