2第二章CCD原理解析

其次章、CCD工作原理23

2.1電荷存儲

2.2電荷耦合

2.3電荷檢測

2.4電荷注入

2.5電荷耦合攝像器件

總名目CCD的構(gòu)造2023/11/53CCD的構(gòu)造為三層，第一層是“微型鏡頭”，其次層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。第一層：“微型鏡頭”。我們知道，數(shù)碼相機成像的關(guān)鍵是在于其感光層，為了擴展CCD的采光率，必需擴展單一像素的受光面積。但是提高采光率的方法也簡潔使畫質(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再由傳感器的開口面積準(zhǔn)備，而由微型鏡片的外表積來準(zhǔn)備。2023/11/54其次層：“分色濾色片”。目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補色分色法。這兩種方法各有優(yōu)缺點。RGB分色法是通過Red,Green和Blue這三個通道的顏色調(diào)整而成。CMYK是由四個通道的顏色協(xié)作而成，青(C)、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業(yè)中，CMYK更為適用，但其調(diào)整出來的顏色不及RGB的多。原色CCD的優(yōu)勢在于畫質(zhì)鋒利，顏色真實，但缺點則是噪聲問題。因此，一般承受原色CCD的數(shù)碼相機，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在顏色的區(qū)分上比較認真，但卻犧牲了局部影像的區(qū)分率，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感光度(類似于膠卷軟片對光的敏感度)，一般都可設(shè)定在800以上。2023/11/55第三層：“感光層”。這層主要是負責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像復(fù)原。2023/11/56應(yīng)用分類用途現(xiàn)有領(lǐng)域民用攝錄一體機，視頻攝像機，數(shù)字攝像機產(chǎn)業(yè)用CCD監(jiān)視用辦公大樓，停車場，金融機構(gòu)，商店，工廠，醫(yī)院，交通要道醫(yī)療內(nèi)窺鏡，X射線拍照，顯微鏡生產(chǎn)自動化檢查，定位，分類，機器人，圖像處理科學(xué)醫(yī)學(xué)，生物學(xué)，天文學(xué)，化學(xué)研究軍事遙感，偵查，制導(dǎo)，預(yù)警，微光夜視新聞廣播節(jié)目制作，電視新聞現(xiàn)場采訪其他車輛后視，TV電話，傳真機，掃描儀，數(shù)字照相機新興領(lǐng)域多媒體個人電腦，工作站圖像輸入，數(shù)字化靜止相機，便攜式終端掃描儀辦公自動化，計算機輸入設(shè)備即圖文輸入（正片、負片、投影片、X光片）傳真機計算機產(chǎn)生的文件，彩色傳真，高速傳真數(shù)字化攝錄一體機（記錄動畫）計算機輸入設(shè)備，多媒體電視制作系統(tǒng)，廣播新聞制作系統(tǒng)，數(shù)字化影片記錄器，家電，旅游電荷耦合器件的工作原理CCD工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個光敏元的受光狀況脈沖幅度的凹凸反映該光敏元受光照的強弱輸出脈沖的挨次可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感特點：以電荷作為信號根本功能：電荷的存儲和轉(zhuǎn)移CCD根本工作原理信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存儲信號電荷的傳輸信號電荷的檢測2.1電荷產(chǎn)生①CCD器件象元是光敏元，每個象元是一個MOS電容器也是一個MOS二極管.②在襯底和金屬電極加偏壓形成勢阱.③光注入：當(dāng)一束光線投射到MOS電容上時，光子穿過透亮電極及氧化層進入P型襯底，襯底中處于價帶的電子將吸取光子能量而進入導(dǎo)帶，形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場作用下可移動形成“光生電荷”。將存在電極下的勢阱中.④價電子能否躍遷至導(dǎo)帶形成電子－空穴對，將由入射光子能量hγ是否大于等于Eg〔半導(dǎo)體禁帶寬度〕來確定,關(guān)系式：Eg＝1.24/λc〔截止波長，表示吸取光子能量的下限〕光電轉(zhuǎn)換原理:光注入⑤不同的襯底材料對應(yīng)不同的λc值，〔不同的Eg〕因此選用不同的襯底材料制作的CCD將有不同的光譜特性(紫外、紅外、X光、可見光等〕為什么不同CCD的響應(yīng)波長不同？紅外，紫外，可見光⑥光注入電荷公式：Q=η·q·△neo?A·Tc其中η:材料量子效率，q:電子電荷量，△neo:入射光光子流速，A:光敏元受光面積，Tc:注入時間〔積分時間〕η,q,A均為常數(shù)，Q與△neo、Tc成正比注入時間tc由CCD驅(qū)動器的轉(zhuǎn)移脈沖的周期準(zhǔn)備電注入：CCD通過輸入構(gòu)造對信號電壓或電流進展采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷注入到相應(yīng)的勢阱中。光電導(dǎo)效應(yīng)信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的產(chǎn)生〔示意圖〕金屬電極氧化物半導(dǎo)體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOS電容器2.2電荷存儲CCD是由規(guī)章排列的金屬—氧化物—半導(dǎo)體〔MetalOxideSemiconductor,MOS〕電容陣列組成。MetalOxideSemiconductor金屬VG氧化物（SiO2）半導(dǎo)體(P—Si)電子勢阱界面勢假設(shè)有光入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子－空穴對，由此產(chǎn)生的光電子被外表的勢阱所吸取。而空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。當(dāng)在金屬電極上加正電壓VG時，在電場的作用下，電極下Ｐ型區(qū)域里的多數(shù)載流子空穴被排斥、驅(qū)除，形成了一個耗盡區(qū)。而對于少數(shù)載流子電子，電場則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對于帶負電的電子來講是一個勢能很低的區(qū)域稱為“勢阱”。勢阱積存電子的容量取決于勢阱的“深度”，而外表勢的大小近似與柵壓VG成正比。勢阱內(nèi)吸取的光電子數(shù)量與入射光勢阱四周的光強成正比。這樣一個MOS構(gòu)造單元就稱光敏單元或一個象素；而將一個勢阱所吸取集的假設(shè)干個光生電荷稱為一個電荷包。通常在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬個相互獨立的MOS光敏單元，假設(shè)在金屬電極上加上正電壓，則在半導(dǎo)體硅片上就形成成千上萬的個相互獨立的勢阱。假設(shè)此時照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會產(chǎn)生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光電荷圖像，因而得到影像信號。P型半導(dǎo)體，Positive，空穴帶正電荷，自由電子帶負電荷，參與導(dǎo)電的是空穴2.2電荷存儲構(gòu)成CCD的根本單元是MOS〔金屬－氧化物－半導(dǎo)體〕構(gòu)造。1.關(guān)于MOS構(gòu)造存儲電荷的力氣〔a〕VG＝0半導(dǎo)體內(nèi)部無變化，內(nèi)部的空穴分布均勻〔b)VG<Vth有耗盡層，外表勢小不能存儲信號〔空穴被排斥〕〔c)VG>Vth外表勢足夠大，能存儲電荷〔吸取電荷〕將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子吸取到外表形成一層極薄的但電荷濃度很高的反型層外表勢：半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢Φs單個CCD柵極電壓變化對耗盡區(qū)的影響(a)柵極電壓為零；(b)柵極電壓小于閾值電壓；(c)柵極電壓大于閾值電壓金屬柵電極G氧化層P型半導(dǎo)體耗盡層反型層UG<UthUG>Uth(a)(b)(c)UG=0外表勢與柵極電壓呈線性關(guān)系。隨著柵極電壓的增加，外表勢也漸漸增加。在柵極電壓不變的狀況下，外表勢與反型電荷密度呈反比例線性關(guān)系。隨著反型電荷密度的增加，外表勢漸漸減小。這種線性關(guān)系可以半導(dǎo)體物理中的“勢肼”概念描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS構(gòu)造吸引到氧化層與半導(dǎo)體的交界面處，是由于那里的勢能最低。“水往低處流”外表勢ФS與反型層電荷密度QINV的關(guān)系2.關(guān)于勢阱的概念勢阱：表征MOS電容存儲電荷的力氣。①存儲電荷的力氣是由于外表勢的存在造成的。②無反型層電荷時，阱深與柵壓VG有關(guān)。

3.MOS電容存儲電荷容量Q=COX?VG?A(A：柵極極面積〕MOS電容容量COX、柵極電壓VG光滴小桶光敏元CCD的工作過程1.有一個光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為電荷。CCD的工作過程2.這些電荷可以被儲存起來。這一過程存在著以下問題：當(dāng)一個像素聚攏過多的電荷后，就會消逝電荷溢出溢出的電荷會跑到相臨的像素勢阱里去。這樣電量就不能照實反映原物。要避開這種狀況發(fā)生的方法：A把桶做大些B削減測量時間C把滿的水倒出一些D做個導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里對應(yīng)的方法：由此可見，增大像素尺寸是最簡潔有效的做法。水桶CCD芯片缺點把桶做大增大單位像素尺寸減少測量時間縮短曝光時間對于暗的部分曝光不足把滿的水桶到出一些間歇開關(guān)時鐘電壓降低速度做個導(dǎo)流管溢出溝道和溢出門制作復(fù)雜，且還有缺陷當(dāng)一個CCD芯片感光完畢后，每個像素所轉(zhuǎn)換的電荷包就依據(jù)一行的方向轉(zhuǎn)移出CCD感光區(qū)域，以為下一次感光釋放空間。信號電荷的轉(zhuǎn)移〔耦合〕為實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換：1、必需使MOS電容陣列的排列足夠嚴(yán)密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、把握相鄰MOS電容柵極電壓凹凸調(diào)整勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺處流向勢阱深處。3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必需依據(jù)確定的方向。CCD的工作過程3.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。2.3CCD的電荷耦合1.電荷傳輸原理注：①圖中一個單元下有三個電極②每個電極的時鐘一個周期將本單元的電荷移向下個單元1個時鐘周期走3個勢阱移位存放器三相CCD的電荷在三相交疊驅(qū)動脈沖的作用下，能以確定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移；CCD電極間隙必需很小，電荷才能不受阻礙地從一個電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。2.3

電荷耦合

2.3CCD的電荷耦合1.電荷傳輸原理電荷耦合就是電荷轉(zhuǎn)移。通過將確定規(guī)章的變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體外表按確定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。電荷耦合：移位存放器中電荷在外加?xùn)艍河行虻淖兓?，從一個電極的勢阱向下一個電極下的勢阱轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。電荷耦合的電極間隙長度小于3μm。

2.CCD的電極構(gòu)造

根本構(gòu)造應(yīng)包括：轉(zhuǎn)移電極構(gòu)造、轉(zhuǎn)移溝道構(gòu)造、信號輸入構(gòu)造和信號檢測構(gòu)造。①電極的作用：在驅(qū)動信號作用下使電荷定向轉(zhuǎn)移，相鄰勢阱耦合。耦合是一個動態(tài)過程。電極必需滿足使電荷定向轉(zhuǎn)移和相鄰勢阱耦合的根本要求。②電極的種類：四相CCD:提高轉(zhuǎn)移效率而研制，比較簡潔；三相CCD：3個電極，三相驅(qū)動；三相單層鋁電極構(gòu)造二相CCD：2個電極，2相驅(qū)動；被測物光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)1重疊局部體溝道CCD被測物光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)1重疊局部外表溝道CCD〔SCCD〕的信號電荷只在貼近界面的極薄襯底內(nèi)運動，由于界面處存在陷阱，信號電荷轉(zhuǎn)移過程中將受到影響，從而降低了器件的工作速度和轉(zhuǎn)移效率；體溝道CCD〔BCCD〕在半導(dǎo)體體內(nèi)設(shè)置信號的轉(zhuǎn)移溝道，減輕或避開了上述問題。2.CCD的電極構(gòu)造二相CCD：優(yōu)點：驅(qū)動脈沖簡潔；在一樣時鐘頻率下，電荷轉(zhuǎn)移一位所需時間較短；二相芯片布線簡潔，面積小。特點：制造工藝技術(shù)性強〔為防止電荷倒流〕

③電極的影響：轉(zhuǎn)移效率、功耗、速度2.4電荷的檢測也叫電荷的輸出，但不能以電荷的形式輸出，將到達輸出端的電荷變換為電流或電壓輸出1、檢測電路分類①電流輸出構(gòu)造〔直接型〕②浮置集中放大器輸出構(gòu)造：選通電荷積分構(gòu)造。特點：放大器與CCD同作在一個硅片上，信號電荷直接把握放大器〔直接型〕③浮置柵放大器輸出：特點：放大器與工作狀況由感應(yīng)電荷把握，而不是由信號電荷直接把握〔非直接型〕，非直接型對信號電荷無破壞性。性能：傳輸效率高CCD在信號轉(zhuǎn)移過程中與時鐘信號沒有任何電容耦合，而在輸出端則不行避開；選擇適宜的輸出電路，盡可能地減小時鐘脈沖對輸出信號的容性干擾；目前CCD主要承受電流輸出方式的電路。電流輸出構(gòu)造由檢測二極管、二極管的偏置電阻R、源極輸出放大器和復(fù)位場效應(yīng)管VR等單元構(gòu)成；信號電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下轉(zhuǎn)移到最末一級轉(zhuǎn)移電極CR2中；當(dāng)CR2電極上的電壓由高變低時，信號電荷便通過輸出柵下的勢阱進入反向偏置的二極管中。電流輸出構(gòu)造由電源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，它對于電子來說相當(dāng)于一個很深的勢阱；進入方向偏置二極管中的電荷，將產(chǎn)生電流Id；Id的大小與注入二極管中的信號電荷量QS成正比，而與R成反比。Qs=Iddt電流輸出構(gòu)造Id越大，A點電位下降得越低；可以用A點的電位來檢測注入到輸出二極管中的電荷Qs；隔直電容將A點的電位變化取出，使其通過場效應(yīng)放大器的OS端輸出。電流輸出構(gòu)造復(fù)位場效應(yīng)管VR用于對檢測二極管的深勢阱進展復(fù)位；電阻R的大小對于檢測的影響；復(fù)位場效應(yīng)管在復(fù)位脈沖RS的作用下使復(fù)位場效應(yīng)管導(dǎo)通，它導(dǎo)通的動態(tài)電阻遠小于偏置電阻的阻值，以便使輸出二極管中的剩余電荷通過場效應(yīng)管流入電源，使A點的電位恢復(fù)到起始的高電平，為接收新的信號電荷做好預(yù)備。2、電荷檢測原理3、CCD輸出信號特點*重點①每個象素的輸出信號浮置在一個正的直流電壓上(如：5V),信號電平在幾十∽幾百mV變化，呈單極性負向變化。②輸出信號隨時間軸按離散形式消逝，每個電荷對應(yīng)一個象元，中間由復(fù)位電平隔離〔信號包含復(fù)位脈沖干擾〕。③將空間分布光學(xué)圖像變換為按時間分布的離散電壓信號。電壓輸出4、關(guān)于電荷讀出〔檢測〕電路噪聲問題①復(fù)位開關(guān)管交替導(dǎo)通、截止產(chǎn)生熱噪聲②饋通電壓含噪聲〔起伏〕承受相關(guān)雙采樣可以抑制復(fù)位噪聲和其它低頻噪聲CCD的工作過程4.信號電荷輸出，轉(zhuǎn)化成電流或電壓信號。背照明光輸入1電荷生成2電荷存儲3電荷轉(zhuǎn)移復(fù)位輸出4電荷檢測半導(dǎo)體CCD傳感器給一般LED燈泡裝上微芯片，可以把握它每秒數(shù)百萬次閃爍，亮了表示1，滅了代表0。由于頻率太快，人眼覺察不到，但光敏傳感器卻可以接收這些變化，二進制的數(shù)據(jù)被快速編碼成燈光信號，燈光下的電腦，通過特制的接收裝置，讀懂燈光里的信息。LIFI〔LightFidelity〕，全稱為可見光無線通信，又稱光保真技術(shù)復(fù)旦大學(xué)爭論人員將網(wǎng)絡(luò)信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺電腦即可上網(wǎng)，離線最高單向傳輸速率到達3.7G/S，制造了可見光無線通信領(lǐng)域的單向傳輸速度世界紀(jì)錄。實時系統(tǒng)平均上網(wǎng)速率到達150M，堪稱世界最快的“燈光上網(wǎng)”。下個月，10臺樣機將亮相2023年上海工博會。IntensifiedChargeCoupledDevices功能：把二維光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變成一維視頻信號輸出。分類：線型CCD〔線陣〕，面型CCD〔面陣〕

ICCD工作過程：①將景物成像在CCD光敏面上，光敏面將每個像敏單元的圖像照度轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯姾纱嬖贛OS電容器中；②轉(zhuǎn)移到移位存放器〔轉(zhuǎn)移電極下的勢阱〕中；③〔在驅(qū)動脈沖作用下〕挨次移出電荷并轉(zhuǎn)為電壓。

2.5電荷耦合攝像器件〔ICCD)①單溝道線陣CCD

1、線陣CCD構(gòu)造功能:是將一維景物或圖像變成串行的視頻信號。由光敏陣列、轉(zhuǎn)移柵、CCD模擬移位存放器和輸出放大器等單元構(gòu)成；光敏陣列一般由光柵把握的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管構(gòu)成；光敏陣列和CCD模擬移位存放器之間通過轉(zhuǎn)移柵相連，轉(zhuǎn)移柵既可以將光敏區(qū)與模擬移位存放器分割開，也可以將其溝通；①單溝道線陣CCD

1、線陣CCD構(gòu)造功能:是將一維景物或圖像變成串行的視頻信號。轉(zhuǎn)移柵為低電平，光敏單元與移位存放器隔離，光敏區(qū)進展光電注入〔光積分〕；轉(zhuǎn)移柵電極電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，光敏區(qū)積存的電荷轉(zhuǎn)移到移位存放器中；轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，移位存放器在?qū)動脈沖的作用下，將信號電荷一位位地移出器件，并經(jīng)放大形成時序信號〔視頻信號〕。①單溝道線陣CCD組成：光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移區(qū)、輸出電路特點：⑴光敏區(qū)與轉(zhuǎn)移區(qū)的移位存放器分開，移位存放器被遮光，因此光敏區(qū)光積分工作和移位存放器移位工作可同時進展。⑵移位存放器的轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低,適用于象元<256的CCD1、線陣CCD構(gòu)造功能:是將一維景物或圖像變成串行的視頻信號。特點：兩列CCD移位存放器分布在象敏元陣列的兩側(cè)⑴使電荷包轉(zhuǎn)移次數(shù)削減〔一倍〕，轉(zhuǎn)移效率提高⑵奇偶信號從兩個輸出端并行輸出，使工作速度提高②雙溝道線陣CCD：(抑制單溝道缺點)原理2.面陣CCD構(gòu)造按確定方式將一維線型CCD的光敏單元及移位存放器排列，即可構(gòu)成二維面陣CCD成二維陣列，將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻信號。分類：幀轉(zhuǎn)移面陣CCD隔列轉(zhuǎn)移面陣CCD