電荷耦合攝像器件第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一突出特點:以電荷為信號的載體；工作過程：信號電荷的產生、存儲、轉移和檢測；基本類型：表面溝道CCD(SCCD)-電荷包存儲在半導體和絕緣體之間的界面，并沿界面轉移；

體溝道CCD(BCCD)-電荷包存儲在距離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向轉移；2.1概述第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一構成CCD的基本單元是MOS(MetalOxideSemiconductor金屬－氧化物－半導體)；P型半導體中雜質為周期表中第Ⅲ族的元素，空穴為多數載流子。2.2電荷存儲

第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一構成CCD的基本單元是MOS(金屬－氧化物－半導體)；N型半導體中雜質為周期表中第Ⅴ族的元素，電子為多數載流子。2.2電荷存儲第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一構成CCD的基本單元是MOS(金屬－氧化物－半導體)；緊密地排列在半導體氧化層表面上的金屬電極能夠存儲和轉移電荷。2.2電荷存儲第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.2電荷存儲隨著電壓的增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導體體內延伸；UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比；第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.2電荷存儲表面勢隨著柵極電壓的增高而增高；氧化層的厚度約薄，曲線的直線性越好；表面勢表征了耗盡區(qū)的深度；第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.2電荷存儲表面勢隨反型層電荷密度的增加而線性減??；半導體與氧化層的交界處勢能最低，吸引電子；第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一構成CCD的基本單元是MOS(金屬－氧化物－半導體)；緊密地排列在半導體氧化層表面上的金屬電極能夠存儲和轉移電荷。2.2電荷存儲第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.2電荷存儲勢阱中電荷的存儲容量：

Q=COXUG

第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一電荷耦合即電荷轉移；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體表面按一定方向移動；通常把CCD分為幾組，每一組稱為一相，并施加相同的時鐘驅動脈沖。2.3電荷耦合

第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.3電荷耦合

第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一三相CCD的電荷在三相交疊驅動脈沖的作用下，能以一定的方向逐單元地轉移；CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個電極下轉移到相鄰電極下。2.3電荷耦合

第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD；以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱為P型CCD；N型CCD比P型CCD的工作頻率高很多。為什么呢？電子的遷移率（單位場強下電子的運動速度）遠大于空穴的遷移率2.3電荷耦合

第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一CCD電極的基本結構應包括轉移電極結構、轉移溝道結構、信號輸入單元結構和信號檢測單元結構；CCD轉移電極的結構很多；必須滿足使電荷定向轉移和相鄰勢阱耦合的基本要求。2.4CCD的電極結構

第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.4.1三相單層鋁電極結構2.4CCD的電極結構

第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一光學系統(tǒng)CCD22.4.2三相電阻海結構

2.4CCD的電極結構

第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.4.3三相交疊硅柵結構2.4CCD的電極結構

第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.4.4二相硅-鋁交疊柵結構2.4CCD的電極結構

第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一被測物光學系統(tǒng)2CCD2光學系統(tǒng)1重疊部分2.4.5階梯狀氧化物結構

2.4CCD的電極結構

第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.4.6四相CCD2.4CCD的電極結構

第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一模擬信號2.4.7體溝道CCD2.4CCD的電極結構

第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一表面溝道CCD的信號電荷只在貼近界面的極薄襯底內運動，由于界面處存在陷阱，信號電荷轉移過程中將受到影響，從而降低了器件的工作速度和轉移效率；體溝道CCD在半導體體內設置信號的轉移溝道，減輕或避免了上述問題。2.4.7體溝道CCD2.4CCD的電極結構

第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一原理：2.5電荷的注入和檢測2.5.1光注入當光照射到CCD的硅片上，在柵極附近的半導體體內產生電子-空穴對，多數載流子被柵極電壓排斥，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一式中：η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為光的注入時間。

2.5電荷的注入和檢測2.5.1光注入第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一注入時間tc由CCD驅動器的轉移脈沖的周期決定；注入到CCD勢阱中的信號電荷只與入射光的光子流速率Neo成正比；另外，入射光的光子流速率與光譜輻射通量成正比。2.5電荷的注入和檢測2.5.1光注入第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一所謂電注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉換為信號電荷注入到相應的勢阱中。

2.5電荷的注入和檢測2.5.2電注入第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一N+擴散區(qū)和P型襯底構成注入二極管；IG為CCD的輸入柵，其上加適當的正電壓，以保持開啟作為基準電壓；模擬輸入信號Uin加在輸入二極管ID上。2.5電荷的注入和檢測2.5.2電注入第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一電壓注入法與電流注入法不同之處在于輸入電極上加有與CR2同位相的選通脈沖，但其寬度小于CR2的脈寬；在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第一個轉移柵CR2的勢阱中，直到勢阱的電位與N＋區(qū)的電位相等；CR2下勢阱中的電荷向下一級轉移之前，由于選通脈沖已經截至，輸入柵下的勢壘開始把CR2下和N+的勢阱分開。2.5電荷的注入和檢測2.5.2電注入第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一CCD在信號轉移過程中與時鐘信號沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免；選擇合適的輸出電路，盡可能地減小時鐘脈沖對輸出信號的容性干擾；目前CCD主要采用電流輸出方式的電路。2.5電荷的注入和檢測2.5.3電荷的檢測第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一由檢測二極管、二極管的偏置電阻R、源極輸出放大器和復位場效應管VR等單元構成；信號電荷在轉移脈沖的驅動下轉移到最末一級轉移電極CR2中；當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。VR2.5電荷的注入和檢測2.5.3電荷的檢測第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一由電源UD、電阻R、襯底P和N+區(qū)構成的輸出二極管反向偏置電路，它對于電子來說相當于一個很深的勢阱；進入方向偏置二極管中的電荷，將產生電流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=IddtVR2.5電荷的注入和檢測2.5.3電荷的檢測第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一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，使其通過場效應放大器的OS端輸出。VR2.5電荷的注入和檢測2.5.3電荷的檢測第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一復位場效應管VR用于對檢測二極管的深勢阱進行復位；電阻R的大小對于檢測的影響；復位場效應管在復位脈沖RS的作用下使復位場效應管導通，它導通的動態(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管流入電源，使A點的電位恢復到起始的高電平，為接收新的信號電荷做好準備。VR2.5電荷的注入和檢測2.5.3電荷的檢測第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一電荷耦合攝像器件就是用于攝像或像敏的CCD，又簡稱為ICCD,它的功能是把二維光學圖像信號轉變成一維以時間為自變量的視頻輸出信號。線型器件，它可以直接將接收到的一維光信息轉換成時序的電信號輸出，獲得一維的圖像信號。面陣CCD是二維的圖像傳感器，它可以直接將二維光學圖像轉變?yōu)橐曨l信號輸出。2.6電荷耦合攝像器件2.6.1工作原理第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一由光敏陣列、轉移柵、CCD模擬移位寄存器和輸出放大器等單元構成；光敏陣列一般由光柵控制的MOS光積分電容或PN結光電二極管構成；光敏陣列和CCD模擬移位寄存器之間通過轉移柵相連，轉移柵既可以將光敏區(qū)與模擬移位寄存器分割開，也可以將其溝通；2.6電荷耦合攝像器件2.6.1線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.單溝道線陣CCD

第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.6電荷耦合攝像器件2.6.1線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.單溝道線陣CCD

轉移柵為低電平，光敏單元與移位寄存器隔離，光敏區(qū)進行光電注入（光積分）；轉移柵電極電壓轉變?yōu)楦唠娖?，光敏區(qū)積累的電荷轉移到移位寄存器中；轉移柵轉變?yōu)榈碗娖剑莆患拇嫫髟隍寗用}沖的作用下，將信號電荷一位位地移出器件，并經放大形成時序信號（視頻信號）。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.6電荷耦合攝像器件2.6.1線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.單溝道線陣CCD

特點：轉移次數多、效率低、調制轉遞函數MTF較差，只適用于相敏單元較少的攝像器件。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B；雙溝道線陣CCD要比單溝道線陣CCD的轉移次數少一半，轉移時間縮短一半；特點：總轉移效率大大提高；兩個移位寄存器和兩個輸出放大器參數不可能完全一致造成奇偶輸出信號的不均勻性；2.6電荷耦合攝像器件2.6.1線型CCD攝像器件的兩種基本形式1.雙溝道線陣CCD

第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一按照一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及其移位寄存器排列成二維陣列，即可構成二維面陣CCD；按照排列方式的不同，面陣CCD分為幀轉移方式、隔列轉移方式、線轉移方式和全幀轉移方式等。2.6電荷耦合攝像器件2.6.2面陣CCD第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一由成像區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構成；成像區(qū)由并行排列的若干個電荷耦合溝道組成，各溝道之間用溝阻隔開，水平電極橫貫各溝道；暫存區(qū)的結構和單元數都與成像區(qū)相同，只不過均被金屬鋁遮蔽。2.6電荷耦合攝像器件2.6.2面陣CCD1.幀轉移面陣CCD

第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一在場正程期間，成像區(qū)某一相電極為高電平，電荷被收集到這些電極下方的勢阱中；光積分周期結束，進入場逆程，加到成像區(qū)和暫存區(qū)電極上的時鐘脈沖將成像區(qū)所積累的電荷迅速轉移到暫存區(qū)；進入下一個場正程。暫存區(qū)與水平讀出寄存器按行周期工作。行逆程期間，信號電荷產生一行的平移；行正程期間，暫存區(qū)電位不變，水平讀出寄存區(qū)在讀出脈沖的作用下輸出一行視頻信號。2.6電荷耦合攝像器件2.6.2面陣CCD1.幀轉移面陣CCD

第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一特點：結構簡單，光敏單元的尺寸可以很小，調制傳遞函數MTF較高；但光敏面積占總面積的比例小。2.6電荷耦合攝像器件2.6.2面陣CCD1.幀轉移面陣CCD

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一每一個相敏單元對應于兩個遮光的讀出寄存器單元；每列相敏單元均被讀出寄存器所隔；2.6電荷耦合攝像器件2.6.2面陣CCD2.隔列轉移型面陣CCD第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一場正程期間像敏區(qū)進行光積分，此時轉移柵為低電平；光積分的同時將上一場的電荷在垂直驅動脈沖的驅動下一行行地將每一列的信號電荷向水平移位寄存器轉移；場逆程期間轉移柵上產生正脈沖，將像敏區(qū)的信號電荷轉移到垂直寄存器中。2.6電荷耦合攝像器件2.6.2面陣CCD2.隔列轉移型面陣CCD第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一取消了存儲區(qū)，多了一個線尋址電路；尋址電路選中某一行相敏單元，驅動脈沖將該行的電荷包按箭頭方向移動，并移入輸出寄存器；輸出寄存器在驅動脈沖的作用下使信號電荷包經輸出放大器輸出。線尋址電路；驅動脈沖；輸出寄存器。2.6電荷耦合攝像器件2.6.2面陣CCD3.線轉移型面陣CCD第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一電荷轉移效率：一次轉移后到達下一個勢阱中的電荷量與原來勢阱中的電荷量之比。

電荷轉移損失率為

電荷轉移效率與損失率的關系為

Q(0)為起始時注入某電極下的電荷量；Q(t)為在時間t時被留下來的電荷。2.7CCD的特性參數2.7.1電荷轉移效率η和電荷轉移損失率ε第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

1.驅動頻率的下限

電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間t，少數載流子的平均壽命為；在信號的轉移過程中，為了避免由于熱激發(fā)少數載流子而對注入信號電荷的干擾，注入信號電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間t必須小于少數載流子的平均壽命；所以：工作溫度越高，熱激發(fā)少數載流子的平均壽命越短，驅動頻率的下限越高。

2.7CCD的特性參數2.7.2驅動頻率第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一電荷從一個電極轉移到另一個電極的固有時間為τg

；電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間t應大于τg；所以：電荷自身的轉移時間對驅動頻率上限有限制。N溝道CCD比P溝道CCD的工作頻率高；體溝道CCD的驅動頻率要高于表面溝道CCD的驅動頻率；驅動頻率上限已經有了很大的提高，為CCD在高速成像系統(tǒng)中的應用打下了基礎。2.7CCD的特性參數2.7.2驅動頻率2.驅動頻率的上限第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一存儲于CCD的像敏單元中信號電荷包是由入射光子被硅襯底材料吸收，并被轉換成少數載流子（反型層電荷）形成的，因此，它具有良好的光電轉換特性。所以，光電轉換特性是線性的。2.7電荷耦合攝像器件2.7.3光電轉換特性第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一CCD接收光的方式有正面光照和背面光照兩種