1、第四章 CCD工作原理,內(nèi)容,CCD概述 CCD工作過程 電荷的生成 電荷的收集 電荷包的轉(zhuǎn)移 電荷包的測量 小結(jié),參考書 1 電荷耦合器件原理與應用王以銘 科學出版社 1987年 2 CCD Arrays Cameras and Displays Gerald C. Holst SPIE 1998,電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）,CCD概述,CCD（Charge Coupled Devices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，表面溝道CCD（簡稱為SCCD）器件；體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）。,電荷耦合器件CCD,線陣CCD,面陣CCD

2、,CMOS-CCD 圖像傳感器的應用,x1,x2,x3,y1,y2,y3,y4,CCD工作原理簡示圖,CCD（線陣列）的結(jié)構(gòu)示意圖和工作流程圖,此圖摘自 James Janesick “Dueling Detectors”,特點：以電荷作為信號,基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移,CCD基本工作原理,信號電荷的產(chǎn)生,信號電荷的存貯,信號電荷的傳輸,信號電荷的檢測,硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu),半導體材料硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)屬于金剛石晶格:每個原子被四個最鄰近的原子所包圍。每個原子在外圍軌道有四個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子。這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵。每個電子對組成一個共價鍵，組成共價鍵的電子稱為

3、價電子。價電子通常位于價帶，不能導電。,硅的能級圖,共價鍵示意圖,電荷的生成能帶理論復習,通過加熱或光照，處于價帶的電子可以被激發(fā)到導帶。把電子由價帶激發(fā)到導帶所需的能量要超過價帶與導帶之間的能隙Eg(硅的Eg1.12eV,砷化鎵的Eg1.42eV)。,photon,photon,電荷的生成 能帶理論復習,如果一個入射光子的能量(Eph)大于或等于這種材料導帶與價帶之間的能隙(Eg)，就可以把一個電子激發(fā)到導帶而成為自由電子。用公式表示如下:,其中h為普朗克常數(shù)，為頻率，為波長，c是光速。,2-1,2-2,電荷的生成,電荷的生成,光電效應中有一個臨界波長（ ），定義為：,當 時，光子沒有足夠的

4、能量將電子由價帶激發(fā)到導帶。這時光子只是穿過這個材料。對于本征(intrinsic)硅有：,這是CCD的長波限制,2-3,光電導效應,電荷的產(chǎn)生原理動畫,CCD的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。,CCD線陣列,CCD 單元,這種結(jié)構(gòu)再加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了N位CCD。,電荷的存儲（以MOS電容為例）,CCD是由金屬氧化物半導體構(gòu)成的密排器件，簡稱MOS結(jié)構(gòu)，它實際就是一個MOS電容。,柵極電壓Vg=0,p型半導體中均勻的空穴（多數(shù)載流子）分布，半導體中能量線延伸到表面并與表面垂直。,柵極電壓Vg0,電場排斥電子吸引空穴，使表面電子能量增大，表面處能帶向上彎曲，越接近表面空穴

5、濃度越大，形成空穴積累層。,柵極電壓Vg0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，形成空穴耗盡層。,柵極電壓Vg0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，電子濃度甚至超過空穴濃度，形成反型層。,半導體表面與襯底的電壓，常稱為表面勢，（用VG表示）外加電壓越大，對應有越大的表面電勢，能帶彎曲的越厲害，相應的能量越低，儲存電子的能力越大，通常稱其為勢阱。注入電子形成電荷包,表面勢與勢阱（電荷存儲）,當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生電子空穴對，空穴被電場作用排

6、斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強度成正比。,電荷的存儲,對空穴來說 是 “勢壘”,VG,電荷的存儲,電荷的轉(zhuǎn)移,CCD工作過程的第三步是電荷包的轉(zhuǎn)移，是將所收集起來的電荷包從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。,反型層的出現(xiàn)在SiO2襯底之間建立了導電機構(gòu)，,n型襯底，柵極加負電壓，反型層是正電荷，稱為p溝道。,p型襯底，柵極加正電壓，反型層是負電荷，稱為n 溝道，,電荷的轉(zhuǎn)移,電荷的轉(zhuǎn)移,n,n,P-Si 襯底,源,漏,輸出柵,轉(zhuǎn)移柵電極,SiO2,n-溝道,電荷的轉(zhuǎn)移,CCD真正工作時，Vg0,恰好能產(chǎn)生勢阱,以測量盆中的雨水類比CCD的

7、工作過程,下面通過類比說明 CCD 收集、轉(zhuǎn)移和測量電荷的過程。,小盆,虹吸泵,雨水量筒,CCD的工作過程類比說明,每個小盆接到的 雨水數(shù)量不同,類比中，雨滴表示光子； 收集的雨水表示CCD探測的電荷; 小盆表示像元，小盆的深度表示每個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的工作過程類比說明,先將雨水向左移動,首先，最左邊一行接雨水的小盆將所接的雨水通過虹吸泵轉(zhuǎn)移到與雨水量筒排成一排的一行小盆（讀出寄存器)中。,為了測量每個小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵將每個小盆中的雨水向雨水量筒轉(zhuǎn)移。,CCD的工作過程類比說明,倒空量筒,然后將最靠

8、近量筒小盆中的雨水通過虹吸泵導入量筒中測量它的數(shù)量。 每次測量完成以后，都要將量筒倒空，準備下一次測量。,圖示的狀態(tài)是一次測量后的狀態(tài)。,CCD的工作過程類比說明,又一次測量結(jié)束。,倒空量筒,CCD的工作過程類比說明,倒空量筒,一行電荷測量結(jié)束。,CCD的工作過程類比說明,重復上述轉(zhuǎn)移測量的過程，直到所有小盆中雨水的數(shù)量都測量完畢。 準備好進行下一次開始接雨水（曝光）。,CCD的工作過程類比說明,在由一個小盆(像元)將水(電荷包)轉(zhuǎn)移到下一個小盆(像元)的過程中，總是有一些損失。描述這個損失的參數(shù)稱為電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE) ，定義為一次轉(zhuǎn)移中正確轉(zhuǎn)移電荷的百分比。,電荷的轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)移效率,在上述

9、類比中，最遠的一個小盆的水轉(zhuǎn)移了6次，如果 0.99，那末這盆水輸出時，剩下原來水量的94。如果轉(zhuǎn)移100次，就剩下原來水量的37了。,2-7,電荷包的轉(zhuǎn)移是通過變換CCD電極電壓來完成的。下列圖中，標注紅色的電極為高電勢，標注黑色的電極為低電勢。,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,時間滑尺,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,當?shù)谝粋€電荷包由右邊移出時，下一個電荷包由左邊移入。,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷轉(zhuǎn)移和三相時鐘,電荷的測量,CCD工作過程的第四步是電荷的測量，是將轉(zhuǎn)移到輸出級的電荷轉(zhuǎn)換

10、為電壓信號的過程。,OD,OS,RD,SW,輸出節(jié)點,襯底,輸出 FET,復位 FET,相加阱,串行寄存器電極,典型 CCD 片內(nèi)放大器的顯微照片和片內(nèi)放大器的線路圖.,電荷的測量,+5V 0V -5V,+10V 0V,SW,Vout,當電荷包移至串行寄存器的末端時，利用輸出節(jié)點電容和輸出管(放大器)對電荷包進行測量。,OD,OS,RD,SW,復位 FET,相加阱,串行寄存器的末端,Vout,電荷的測量,測量過程由復位開始。復位會把前一個電荷包的電荷清除掉 。,輸出 節(jié)點,輸出 FET,OD,OS,RD,SW,+5V 0V -5V,+10V 0V,SW,Vout,Vout,電荷輸送到相加阱。

11、Vout 現(xiàn)在是參考電平。,在這個期間，外部電路測量參考電平。,輸出節(jié)點,相加阱,串行寄存器的末端,電荷的測量,輸出 FET,復位 FET,OD,OS,RD,SW,Vout,把電荷輸送到輸出節(jié)點電容， Vout 下降到信號電平。,串行寄存器的末端,輸出節(jié)點,相加阱,電荷的測量,輸出 FET,復位 FET,外部電路對 Vout 進行采樣，所采樣的Vout 電平與輸入電荷包中電荷的多少成正比。,OD,OS,RD,SW,Vout,串行寄存器的末端,輸出節(jié)點,相加阱,電荷的測量,輸出 FET,復位 FET,CCD 作業(yè),1、CCD攝像傳感器工作過程 2、CCD攝像傳感器的工作原理,38、CCD攝像傳感

12、器工作過程：1光電信號轉(zhuǎn)換；2存儲電信號；3轉(zhuǎn)移電信號；4讀出信號電荷。 39、CCD攝像傳感器的工作原理：（1）電荷存儲原理：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。 如果MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負電荷的耗盡區(qū)， 也稱表面勢阱。對帶負電的電子來說， 耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。 在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，勢阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半導體硅產(chǎn)生了電子-空穴對，光生電子被附近的勢阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強成正比。 （2）光電轉(zhuǎn)換信息電荷“圖像”產(chǎn)生：光學圖像投射到CCD硅感光區(qū)三種技術(shù)：采用透明柵極，使光從正面射入