曹峰梅第5章固體成像器件（5.1~5.2）光電成像原理與技術(shù)固體成像器件的發(fā)展CCD是1969年美國貝爾實驗室（BellLabs）的維拉·波義耳(WillardS.Boyle)和喬治·史密斯（GeorgeE.Smith）發(fā)明的。波義耳史密斯固體成像器件的發(fā)展CCD是1969年美國貝爾實驗室（BellLabs）的維拉·波義耳(WillardS.Boyle)和喬治·史密斯（GeorgeE.Smith）發(fā)明的。波義耳史密斯2006年，波義耳和史密斯獲德雷珀(CharlesStarkDraper)獎章(IEEE最高獎)

2009年10月6日，波義耳和史密斯獲2009年諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎章德雷珀獎章電真空攝像半導體材料與器件

電荷耦合器件(Charge-CoupledDevices，以下簡稱為CCD)是目前最具代表性的固體成像器件。CMOS（互補金屬氧化物半導體）、IFFPA（紅外焦平面陣列）器件也屬于固體器件。固體成像器件的發(fā)展體積大、重量沉、強度差、動態(tài)范圍小固體成像器件的發(fā)展1969年，W.S.波義耳和G.E.史密斯關(guān)于電荷耦合器件的原理設想：“緊密排列在半導體絕緣表面上的電容器，可用來儲存和轉(zhuǎn)移電荷”——實驗中得到驗證。初期的CCD存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷的勢阱都位于Si-SiO2界面處，即所謂表面溝道CCD。1972年D.康首先設想了多數(shù)載流子CCD形式，人們在此基礎上研制出了埋溝道CCD和“蠕動”型CCD的新結(jié)構(gòu)，有效地改善了CCD的性能。1973年美國仙童公司制成了CCD攝像傳感器，CCD從實驗室進入了社會生活，開始了實用階段。一般把CCD與電荷注入器件(CID)、電荷引動器件(CPD)、自掃描光電二極管列陣(SSPD)等器件統(tǒng)稱為電荷傳輸器件或電荷轉(zhuǎn)移器件。固體成像器件的優(yōu)點（相較于真空器件）體積小、重量輕、工作電壓和功耗低；靈敏度高、動態(tài)范圍大；耐沖擊性好，可靠性好，壽命長；對近紅外也敏感，Si的光譜響應至1.1m，可做成紅外敏感元件，軍事上用于紅外夜視系統(tǒng)；像元尺寸幾何位置精度高，可用于精密尺寸測量；視頻信號易與計算機接口。完全取代了真空器件攝像機。CCD三大主要用途：固體成像、信號處理和大容量存儲器。固體成像器件的應用各種線陣、面陣像感器已廣泛用于天文、遙感、傳真、文字閱讀和電視攝像等成像領(lǐng)域，微光CCD和紅外CCD在航遙空感、熱成像等軍事應用中顯示出很大的作用。CCD三大主要用途：固體成像、信號處理和大容量存儲器。固體成像器件的應用CCD信號處理兼有數(shù)字和模擬兩種信號處理技術(shù)的長處，在中等精度的雷達和通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。CCD還可用作大容量串行存儲器，其存取時間、系統(tǒng)容量和制造成本都介于半導體存儲器和磁盤、磁鼓存儲器之間。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，互補金屬-氧化物-半導體)作為與CCD具有相近優(yōu)點和功能的器件，近年來得到了快速的發(fā)展，在成像領(lǐng)域正在對CCD奮起直追。輸入圖像的輻照—>光敏元(光電轉(zhuǎn)換)：二維分布的光強—>二維分布的電荷量；存儲單元在一幀的周期內(nèi)連續(xù)積累由光敏元產(chǎn)生的電量，并保持電荷量在空間的分布；通過器件內(nèi)部的自掃描(CCD電荷耦合或CMOS空間尋址)，在一幀周期內(nèi)完成全靶面的信號電荷讀出。具體攝像過程利用器件自身通過控制電壓變化進行信號的讀取和轉(zhuǎn)移傳輸，沒有任何外界的部件代替電子槍掃描實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換電荷的高速讀出電子驅(qū)動電荷耦合順序讀出：CCD、電荷引動器件(CPD)等水平/垂直移位寄存器X-Y尋址讀出：CMOS、電荷注入器件(CID)、自掃描光電二極管列陣(SSPD)等光敏元結(jié)構(gòu)與排列方面有區(qū)別CCD或CMOS作為不同輻射波段焦平面陣列的讀出電路固體成像器件的圖像信號讀出紅外焦平面器件X射線成像器件CCD、CMOS主流固體成像器件5.1CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理MOS電容器的基本結(jié)構(gòu)MOS電容器的基本結(jié)構(gòu)：硅片上生長一層SiO2層，厚度為dox蒸鍍上一層金屬鋁為柵電極，柵極外接電壓VG半導體作為底電極,稱為襯底,由于電子遷移率高,多數(shù)CCD選用P型硅作襯底。CCD(Charge-CoupledDevices)電荷耦合器件：基于MOS(金屬－氧化物－半導體）電容器在非穩(wěn)態(tài)下工作的一種器件。5.1.1穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)VG=0，Si表面載流子濃度與體內(nèi)相同，呈電中性，不存在空間電荷區(qū)，能帶為平坦的，此為“平帶狀態(tài)”。VG<0，電場使Si表面形成多數(shù)載流子的積累層，此為“積累狀態(tài)”。熱平衡時，VG的一部分降落在SiO2層內(nèi)，其余部分將作用于半導體引起表面勢。穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)(a)實空間分布(平帶條件);(b)能帶分布(平帶條件(c)實空間分布(表面累積層);(d)能帶分布(表面累積層(e)實空間分布(淺耗盡層);(f)能帶分布(淺耗盡層);理想MOS系統(tǒng)在外加偏壓下的實空間和能帶分布穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)(g)實空間分布(深耗盡層);(h)能帶分布(深耗盡層);(i)實空間分布(表面反型層，表面有電子);(j)能帶分布(表面反型層)理想MOS系統(tǒng)在外加偏壓下的實空間和能帶分布穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)VG>0，Si表面處留下一層離化的受主離子，此為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”。VG>Vth>0,表面處電子濃度超過空穴濃度，已有P型變?yōu)镹型，這種狀況為“反型狀態(tài)”。從反型層到半導體內(nèi)部之間還夾有耗盡層。弱反型：表面處電子濃度開始超過空穴濃度;強反型：表面處反型載流子濃度已達到體內(nèi)多數(shù)載流子濃度。穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)在強反型狀態(tài)下，表面電子濃度隨Vs增加而按指數(shù)規(guī)律增長，而Vs隨耗盡層厚度xd呈二次函數(shù)增加。一旦出現(xiàn)反型層，則耗盡層厚度xd達到最大值，且不隨VG而變化。表面出現(xiàn)強反型狀態(tài)時，對應外加偏壓VG為閾值電壓（開啟電壓），常用Vth表示。由于反型層中的電子實際上是被限制在表面附近能量最低的一個狹窄區(qū)域，故稱反型層為溝道。

P型半導體的表面反型層由電子構(gòu)成，故稱N型溝道。5.1.2非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器（MOS電容器的電荷存儲原理）非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲原理問題的關(guān)鍵：在電壓加到柵極上的瞬間，在介電弛豫時間(10-12s)之內(nèi)，半導體中只有多數(shù)載流子空穴能跟上變化，少數(shù)載流子電子取決于產(chǎn)生－復合過程（還沒來得及生成），故盡管VG

>Vth，具有真正意義的反型層還沒形成?。?！非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲原理VG的大部分壓降Vs落在半導體表面的空間電荷區(qū)上，只有小部分落到SiO2上。故而，該形成反型層的空間上沒有電子，只有空的電子勢阱，也就是說表面還處在載流子耗盡狀態(tài)，這種耗盡層從表面一直延伸到半導體內(nèi)深處，此狀態(tài)為“深層耗盡狀態(tài)”。

——這實際上是MOS電容器處于熱非平衡狀態(tài)。非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲原理隨著時間的推移，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子將進入勢阱，逐漸恢復熱平衡，達到穩(wěn)態(tài)，形成強反型層。這個時間T，稱為存貯時間。其中NA半導體襯底摻雜濃度，τ0耗盡區(qū)少子壽命，ni本征半導體載流子濃度。存貯時間的長短主要取決于硅晶體的完整性，優(yōu)質(zhì)硅單晶的存貯時間長達幾秒甚至幾十秒。非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲原理非穩(wěn)態(tài)下，Vs最大，形成的電子勢阱eVs最深。如此時有外界光信號或電信號激勵或注入，即在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對或注入電子，空穴被驅(qū)至耗盡層外，電子則逆電場運動進入勢阱存貯起來。勢阱滿了，就不能再積累了。CCD就是利用MOS電容器上述過程來存儲信號、轉(zhuǎn)移信號的，這些過程必須在非平衡狀態(tài)下工作。——信號的感生與存貯電極上的電壓越大，勢阱越深，可存儲的電荷量越多，代表了CCD器件電荷存儲的能力相同柵極電壓下，氧化層越厚，表面勢越低表面勢：半導體與氧化層界面上的電勢。表征耗盡區(qū)的深度，與柵極電壓和氧化層厚度有關(guān)勢阱：有表面勢產(chǎn)生的阱狀空間

（存儲電荷的電勢分布狀態(tài)）非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲原理CCD器件的電荷存儲外界光照射下，CCD中的硅襯底會產(chǎn)生電子－空穴對這時若在鋁電極上加一個正電壓，它所形成的電場就會穿過二氧化硅層排斥硅襯底中的多數(shù)載流子（空穴），并吸引少數(shù)載流子（電子）。在硅和二氧化硅界面附近得到了一個存儲少數(shù)載流子（電子）的勢阱。鋁電極上的電壓越大，勢阱越深，可存儲的電荷量越多。5.1.3CCD的電荷耦合與傳輸原理兩個間隔較大的MOS電容器，在兩個金屬柵極之間沒有被金屬覆蓋那部分的氧化物下存在勢壘，不能使一個MOS電容器中存儲的信息電荷轉(zhuǎn)移到另一個MOS電容器中。當兩個金屬柵極彼此足夠靠近時，其間隙下表面勢將由兩柵極上電位決定，從而形成兩個MOS電容器下耗盡層的耦合。MOS電容器的耦合(a)間距大，耗盡層間存在勢壘；(b)間距小，耗盡層耦合使一個MOS電容器中存儲的信號電荷能轉(zhuǎn)移到下一個MOS電容器中，通常電極間隙取0.1~0.2μm。耗盡層的耦合CCD電荷傳輸原理CCD電荷耦合與傳輸CCD是一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器列陣。它具有存貯和轉(zhuǎn)移信息的能力，故又稱之為動態(tài)移位寄存器。CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖電荷包：勢阱中存貯的自由電荷電荷轉(zhuǎn)移：利用耗盡層耦合的原理，將電荷包有規(guī)律地傳輸出去－－通過控制相鄰MOS電容器柵壓來調(diào)節(jié)勢阱的深淺，使信號電荷由勢阱淺的位置流向勢阱深的位置；轉(zhuǎn)移要按照確定的方向：由不同相位上的電壓脈沖按照嚴格的時序被控制；轉(zhuǎn)移要沿確定的路線：工藝設計時，要考慮好溝道和溝阻，電荷轉(zhuǎn)移通道為溝道，限制溝道的部分為溝阻。CCD電荷耦合與傳輸5.1.4CCD的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣的時鐘驅(qū)動脈沖。CCD工作所需的驅(qū)動脈沖相數(shù)由其電極結(jié)構(gòu)決定。信號電荷必須在相應驅(qū)動脈沖作用下，才能以一定方向逐單元地轉(zhuǎn)移。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)CCD三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——三相采用一層多晶硅的三相電阻海結(jié)構(gòu)采用三層多晶硅的三相交疊柵結(jié)構(gòu)三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)，電荷包源勢阱與接受勢阱同時共存，以保證電荷在這兩個勢阱間充分轉(zhuǎn)移時鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)時鐘脈沖幅度選取適當轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相二相時鐘的脈沖波形單時鐘脈沖二相CCD(a)φ2斷開，(b)φ2開通轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相

四相CCD的電極結(jié)構(gòu)編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——四相轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——四相四相CCD的電勢分布與轉(zhuǎn)移過程轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——四相

前照與背照?轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)表面溝道形式：表面CCD，簡記為SCCD(SurfaceChannelCCD)信號電荷轉(zhuǎn)移的位置：貼近氧化層界面的襯底內(nèi)轉(zhuǎn)移

SCCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。當電荷包轉(zhuǎn)移時，空的界面態(tài)從溝道中獲得電子，如果它能很快地把這些電子釋放出來，隨原電荷包一起前進，將不影響轉(zhuǎn)移效率；但若釋放慢，則電子將進入后續(xù)的電荷包，造成信息損失。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)體內(nèi)或埋溝道形式：埋溝CCD，簡記為BCCD(BuriedchannelCCD)為了避免表面態(tài)的影響，將電荷轉(zhuǎn)移溝道做在體內(nèi)，從而形成BCCD。通過在硅表面注入雜質(zhì)，使之形成N型薄層，并在兩端加上N＋層，起源、漏作用。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)埋溝CCD與表面CCD電荷轉(zhuǎn)移機理的區(qū)別在于：①前者攜帶信息的電子是N層中的多子，而后者則是P層中的少子；②表面CCD中的信號電荷集中在界面處很薄的反型層中，而埋溝CCD的信號電荷集中在體內(nèi)的P-N結(jié)平面附近。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)BCCD優(yōu)于SCCD的性能主要為：

因信號電荷在體內(nèi)存貯和轉(zhuǎn)移，避開了界面態(tài)俘獲信號的不良影響，所以轉(zhuǎn)移損失率比SCCD小1~2個數(shù)量級。

由于各柵極電壓間有較強的耦合，這種耦合隨溝道加深而變強，從而增加了邊緣電場。加之硅體內(nèi)遷移率比表面高約一倍，故BCCD工作頻率較高，可在135MHz的時鐘下工作。

BCCD的最大優(yōu)點是噪聲低，可工作在低照度下。BCCD的主要缺點：信號處理容量小，比表面CCD小一個數(shù)量級?！鉀Q方式：使用蠕動式CCD（P2CCD)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)表面CCD具有比埋溝CCD好的線性，是因為表面CCD的電容有兩部分，即氧化層電容Cox和耗盡層電容Cd，Cox不變，而Cd隨信號大小及Vg而變。但埋溝CCD則除了這兩部分外，還多了一個可變電容Cd1，其位于電荷包和SiO2層之間，所以，埋溝CCD的線性較表面CCD的差。兩者均因有耗盡層電容Cd而具有非線性。輸入輸出結(jié)構(gòu)源極柵極漏極信號電荷注入光注入：只要光敏區(qū)的光敏柵極施加正電壓使柵極下產(chǎn)生耗盡勢阱，則光敏區(qū)產(chǎn)生光生載流子被收集到勢阱中。當轉(zhuǎn)移柵為高電平時，信號電荷將從光敏區(qū)寄存器轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，完成光注入。電注入：對CCD勢阱電容注入電荷。通常由一個輸入二極管(ID)，一個或幾個輸入控制柵(IG)來完成。輸入輸出結(jié)構(gòu)電位平衡法注入信號電荷與相鄰兩柵極的電勢差成正比，這樣的電荷分為信號電荷和襯底電荷，注入到勢阱的絕對電荷量不代表信號電荷，只有電荷量差值才是信號電荷。這個襯底電荷相當于“胖零”電荷。電位平衡法：利用輸入柵極G1表面勢與存貯柵G2表面勢來獲得信號電荷：輸入柵壓G1保持恒定電壓，輸入信號加在G2上，開始輸入二極管加低電位脈沖，此時，由于VG2>VD，故信號電荷注滿G2勢阱，隨即升高二極管電位，使之處于強反偏狀態(tài)，這樣G2存貯勢阱中多余的電荷便向二極管區(qū)倒流，直至G1與G2下面的表面勢相等位置。輸入輸出結(jié)構(gòu)信號電荷輸出信號電荷在時鐘脈沖驅(qū)動下轉(zhuǎn)移到輸出端的最后一個時鐘電極下面，需無損檢測出電荷包電流輸出：常用反偏二極管，外加體外放大器。電壓輸出：浮置擴散放大器輸出，或浮置柵放大器輸出。

resetT1Vout

T2輸入輸出結(jié)構(gòu)浮置柵極放大器輸出結(jié)構(gòu)5.1.5CCD的物理性能CCD的物理性能開啟電壓Vth：產(chǎn)生溝道所需的柵壓，與SiO2層的電容有關(guān)，SiO2層越厚，該電容越小，開啟電壓越大?！?/p>

SiO2層的厚度要適當。開啟電壓還與金屬-硅的功函數(shù)差、SiO2層中的固定的和可動的電荷及襯底的摻雜濃度等因素有關(guān)。滿勢阱時信號電荷的容納量：SCCD由SiO2層電容及相鄰電極電位差決定；BCCD溝道越深，存貯能力越低。CCD的物理性能工作頻率下限：因CCD工作在非穩(wěn)態(tài)，故工作頻率有下限：如少子壽命為τe，轉(zhuǎn)移所需時間為tr，時鐘周期為T，對于三相CCD需使：上限：因CCD電極有一定長度，電荷轉(zhuǎn)移需要一定時間，加之CCD存在界面態(tài)，故工作頻率有上限如轉(zhuǎn)移所需時間為tr，時鐘周期（CP)為T，對于三相CCD需使：要求界面態(tài)俘獲載流子的時間τc小于T/3，即CCD的物理性能轉(zhuǎn)移效率η：轉(zhuǎn)移到相鄰勢阱中的電荷與原勢阱中的電荷之比CCD一次電荷轉(zhuǎn)移損失率為ε(t)，轉(zhuǎn)移效率與轉(zhuǎn)移損失率之和為1如電荷在CCD中經(jīng)過多次轉(zhuǎn)移，則總轉(zhuǎn)移效率為：ε越大，轉(zhuǎn)移次數(shù)n越多，則信號電荷的衰減越快，從而導致器件性能下降。CCD的物理性能影響轉(zhuǎn)移效率的主要因素：電荷轉(zhuǎn)移速度：在時鐘脈沖較低時，損失效率為常數(shù)，頻率高時，損失率增大。界面態(tài)俘獲：解決方法－“胖零”工作模式，通過用一定數(shù)量的基底電荷先將界面態(tài)填滿，當信號電荷注入時，信號電荷被俘獲的幾率變小，而界面態(tài)釋放出來的電荷又可以跟上原來的電荷包。從而在一定程度上減小了界面態(tài)帶來的損失。－“0”信號時，也有基底電荷注入。極間勢壘：解決方法：盡量減小極間距，采用高阻襯底。CCD的物理性能填充因子：感光有效面積/像素總面積。CCD的物理性能噪聲：CCD為低噪聲器件散粒噪聲：微觀粒子的無規(guī)則性和隨機性轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移損失、界面態(tài)俘獲、體內(nèi)陷阱俘獲熱噪聲：基底電荷注入、信號電荷注入及檢出時引入暗電流：既無光注入又無電注入情況下的輸出信號。以耗盡層內(nèi)載流子產(chǎn)生的暗電流為主。功耗：主要為驅(qū)動電路的功耗（片外功耗）——低功耗器件。5.2CCD成像原理5.2.1線陣CCD成像原理線陣CCD工作原理線陣CCD攝像器件(a)單邊傳輸(b)雙邊傳輸LCCD一維圖像傳感器單邊傳輸轉(zhuǎn)移次數(shù)較多，適于像元數(shù)較少的攝像器件。雙邊傳輸較單邊傳輸時間縮短一半，轉(zhuǎn)移效率提高。線陣CCD攝像器件組成：光敏陣列+轉(zhuǎn)移柵+CCD移位寄存器+輸出放大器線陣CCD工作原理LCCD工作過程(c)轉(zhuǎn)移階段(d)轉(zhuǎn)移結(jié)束階段轉(zhuǎn)移溝道勢阱分布(a)積分階段(b)轉(zhuǎn)移準備階段計數(shù)：計數(shù)器用來記錄驅(qū)動周期的個數(shù)，N+m，考慮到“行回掃”的時間需要，采用過驅(qū)動，m為過驅(qū)動的次數(shù)。LCCD缺點

：積累時間過短，每個像元只有一行掃描時間的積累。線陣CCD工作原理LCCD工作波形5.2.2面陣CCD傳輸原理面陣CCD傳輸原理面陣CCD的結(jié)構(gòu)行間轉(zhuǎn)移幀／場轉(zhuǎn)移全幀轉(zhuǎn)移SonyICX493AQAMpixels

APS-C1.8"sensor面陣CCD：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)IT-CCDIT-CCD像素結(jié)構(gòu)

幀/場轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)FT-CCD幀/場轉(zhuǎn)移面陣CCD攝像器件幀/場轉(zhuǎn)移CCD5.2.3TDI-CCD的成像模式時間延遲－積分（TDI陣列）問題的提出線陣CCD要攝取二維平面圖像，攝像機與景物之間必須相對運動運動速度v0和攝像機的積分時間ti決定著攝像系統(tǒng)在運動方向的最小可分辨尺寸dg(積分時間內(nèi)攝像機通過光學系統(tǒng)在物平面上的投影）。dg

＝

v0

ti信號的幅值與積分時間成正比!垂直分辨力與積分時間成反比!顯然，分辨力與信號幅值的乘積與積分時間無關(guān)。解決方案：使用面陣CCD，采用延遲－積分的方式，既可提高信號強度，又不影響分辨力。設列陣為M行N列，沿列方向同景物相對運動，只要延遲時間和掃描速度一致，可把M行從同一景物單元接收到像敏元的信號積累起來，相當于對每一列來講，每個像敏元的信號電荷量都增大了M倍，因此靈敏度提高了M倍，而幾何分辨力不變。時間延遲－積分（