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1、三个基本部分：光电变换部分电子光学部分电光变换部分像管变像管像 增 强 器紫外光像红外光像微弱光像（微通道板）光 敏 面荧 光 屏可 见 光 像（级连）像增强管光电转换信号存储扫描输出摄像管7.3 电荷耦合器件Charge Coupled Device 简称CCD体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击 性能好，可靠性高，寿命长，CCD背景介绍W.S.Boyle与G.E.Smith7.3 电荷耦合器件Charge Coupled Device 简称CCD体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击 性能好，可靠性高，寿命长，主要内容：一. CCD的结构与工作原理二. CCD的主要特性参数三
2、. CCD摄像器件CCD电荷存储电荷转移电荷注入电荷输出一. CCD的结构与工作原理特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移一. CCD的结构与工作原理1 CCD的单元结构MOS结构 单元像素由多个像素组成线阵,金属栅 极是分立的，氧化物与半导 体是连续的 在栅极加正偏压之前在栅极加正偏压之前，P P型半导体中型半导体中 的空穴（多子）的分布是均匀的的空穴（多子）的分布是均匀的。1）势阱的形成 当栅极施加正电压当栅极施加正电压UUGG（ 此时此时UUGGUUthth）时，在）时，在 电场的作用下，电极下电场的作用下，电极下 型区域里的多数载流型区域里的多数载流 子空穴子空穴被排斥到衬底的
3、被排斥到衬底的 底侧，硅表面处留下不底侧，硅表面处留下不 能移动的带负电的粒子能移动的带负电的粒子 ，产生，产生耗尽区耗尽区。1）势阱的形成 势 阱 施加正电压 空穴耗尽区 栅极正向电压增加 时，势阱变深。改变UG，调 节势阱深度1）势阱的形成 1）势阱的形成 UUGG UUthth时，半导体与绝缘时，半导体与绝缘 体界面上的电势变得非常高，体界面上的电势变得非常高， 以致于将半导体内的电子以致于将半导体内的电子( (少少 子子) )吸引到表面，形成一层极吸引到表面，形成一层极 薄但电荷浓度很高的反型层（薄但电荷浓度很高的反型层（ 沟道）。沟道）。深度耗尽状态N N型型(P(P沟道）沟道） P
4、 P型型(N(N沟道）沟道）UUGG UUthth时，时，2）电荷的存储 耗尽区对于带负电的电子来讲耗尽区对于带负电的电子来讲 是一个势能很低的区域，是一个势能很低的区域，若注若注 入电子，入电子，电场则吸引它到电极电场则吸引它到电极 下的耗尽区。下的耗尽区。表面处构成了对表面处构成了对于电子的于电子的“ “陷阱陷阱” ”，称之为表面势阱，称之为表面势阱，势阱积累电子的容量取势阱积累电子的容量取 决于势阱的决于势阱的“ “深度深度” ”，而表面势的大小近似与栅压，而表面势的大小近似与栅压VVGG成正比。成正比。MOS电容具有存储电荷的能力 当势阱中填满了电子当势阱中填满了电子, , 势阱中的电
5、子不再增加了，便达到势阱中的电子不再增加了，便达到 稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在达到稳达到稳 态之前完成。态之前完成。电子被吸入势阱势阱产生电子空穴对空穴栅极电压排斥2、信号电荷的注入（光注入、电注入）（光注入、电注入）光注入： 产生电子空穴对 势阱内吸收的势阱内吸收的光电子数量光电子数量与入射光势阱附近的与入射光势阱附近的光强光强成成正比正比。一个。一个 势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷包电荷包。 光照射到光敏元上时，会产光光照射到光敏元上时，会产光 生生电子电子空穴空穴对，光生对，光生电
6、子电子将将 被吸入势阱被吸入势阱存储存储起来，空穴则起来，空穴则 被排斥到半导体的底侧被排斥到半导体的底侧。3、电荷包的存储 通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的MOSMOS光敏单元光敏单元 ，如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千，如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千 上万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一上万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一 副副明暗起伏的图像明暗起伏的图像，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度 相对应的相对应的光
7、电荷图像光电荷图像。4 信号电荷包的传输1）通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷包由势阱浅的位置流向势阱深的位置。2）必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。3）栅极脉冲电压必须严格满足位相时序要求，保证信号转移按确定方向进行。CCD中电荷包的转移：将电荷包从一个势阱转入 相邻的深势阱。 基本思想： 调节势阱深度利用势阱耦合定向转移的实现 在CCD的MOS阵列 上划分成以几个相 邻MOS电荷为一单 元的无限循环结构 。每一单元称为一 位，将每位中对 应位置上的电容栅 极分别连到各自共 同电极上，此共同 电极称相线。 一位CCD中
8、含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接 的电容个数一般来说即为CCD的位数。定向转移的实现 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的 时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。12当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信 号电荷的定向转移。 MOS上三个相邻电极，每隔两 个所有电极接在一起。由3个 相位差120时钟脉冲驱动。三相CCD中电荷包的转移过程： t1时刻，1为高电平， 2 3为低电平，1电极下形成 深势阱，储存电荷形成电荷包t2-t3时刻，1电压线性减小 ，1电极下势阱变浅， 2为 高电平，2电极下形成深势阱 ，信号电荷从1电极向2电极转 移，直到t3时刻，信号电
9、荷全 部转到2电极下。重复上述过程，信息电荷从 2电极转移到3电极，到t5 时刻， 信号电荷全部转移 到3电极下。经过一个时钟周期，信号电 荷包向右转移一级，t6时刻 信号电荷全部转移4电极下 。依次类推，信号电荷依次 由1，2，3，4N向右 转移直至输出移位寄存器4 信号电荷包的输出衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压） 二极管输出方式 ：复位脉冲RS 102V5V4 信号电荷包的输出二极管输出方式 ：衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压） CCD电荷存储电荷转移电荷注入电荷输出CCD的结构与工作原理特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移为什么称为电荷耦合器件？电荷器件中的信息是以电
10、荷形式出现 的，不同于其他探测器的“电流”或“电压”耦合器件内部信息的传递是通过势阱 的藕合完成的，完全不同于电子枪的“扫描 输出”形式CCD的结构与工作原理二、CCD的分类 表面沟道电荷耦合器件（SCCD）信号电荷存 储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。 体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD） 信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在 半导体内部沿一定方向传输。 按电荷转移的沟道分：按光敏元的排列分：线阵CCD 面阵CCD1. 转移效率，损耗率6. 暗电流4. 光谱响应特性3. 光电转换特性5. 分辨率2. 工作频率7. 动态范围三、CCD的特性参数三、CCD的特性参数转移效
11、率：当CCD中电荷包从一个势阱转移到另 一个势阱时，若Q1为转移的电荷量，Q0为原 始电荷转移损失率：表示残留于原势阱中的电 量Q与原电量Q0之比定义为转移损耗若CCD有n个栅极板时，则总转移效率为1 转移效率和转移损失率1）所以表面沟道CCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。提高转移效率的方法提高转移效率的方法预先输入一定的背景电荷，零信号也有一定电 荷“胖零（fat zero）”技术。2）采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。2 工作频率（a）工作频率的下限f下
12、-取决于非平衡载流子的平均寿命c 电荷包在相邻两电极之间的转移时间t tc三相CCD： 二相CCD ： （b）工作频率的上限f上 三相CCD 电荷从一个电极转移到另一个电 极的固有时间 表面态俘获电子的释放时间在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系 。照度超过1001x以后，输出有饱和现象。3光电特性4光谱特性 n44万（768*576）、 100万（1024*1024） 、200万（1600*1200 ）、600万（ 2832*2128）CCD光谱响应与光 敏面结构、光束入射 角及各层介质的折射 率、厚度、消光系数 等多个因素有关。 5分辨率：实际中， CCD器件的分辨率一般 用
13、像素数表示，像素越 多，则分辨率越高。 四、CCD摄像器件2048 2048 面阵CCD5000像元线阵CCD1. 三相单沟道线阵CCD 2. 双沟道线阵CCD3. 面阵CCD摄像器件 （1) 三相单沟道线阵CCD 放大器结 构：转移栅光敏区CCD移位寄存器1 线阵列CCD摄象器件 放大器工作过程：光 敏 区转 移 栅移 位寄 存 器（1) 三相单沟道线阵CCD 工作过程：三相时钟脉冲视频信号输出 （1) 三相单沟道线阵CCD 光 敏 区转 移 栅移 位寄 存 器放大器特点：特点：单沟道传输的单沟道传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低传输效率低。（1) 三相单沟道线阵
14、CCD (2) 双沟道线阵CCD 特点：特点：双通道传输的双通道传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高传输效率高。摄像过程可归纳为如图所示的几个环节 积分转移传输输出计数1） 积分 在有效积分时间里 ，每个光敏元下形成势阱， 光生电子被积累到势阱中， 形成一个电信号“图象”。2） 转移 就是将N个光信号电荷包并行转移到所对应的各位 CCD移位寄存器中，转移栅处于高电平。3）传输 N个信号电荷在时钟脉冲的驱动下依次沿CCD串行输 出。5）驱动周期计数。4）信号的输出、读取（3）线阵CCD的驱动电路TCD142D结构示意图TCD142D引脚T
15、CD142D的工作原理 TCD142D的驱动电路 （4）线阵CCD类型与发展a、光谱探测类型线阵CCD光谱探测与分析需要的线阵CCD应具有光谱响应范围宽、 动态范围广、像敏单元不均匀性好等特点。S3922、S3923、 RL1024SB等器件，它们普遍具有像敏单元尺寸大（ 500m50m）的特点，像敏单元尺寸的增大不仅增大了接收光辐射的面积，提高响应度而且增大了电荷存储的容量，使动 态范围大幅度地得到提高。 b、高分辨率的非接触尺寸检测工业应用中非接触尺寸检测是非常普遍的课题，为提高测 量精度与测量范围，常常要求线阵CCD器件的像敏单元尺寸小 、数量多。TCD1500C、TCD1703D、TC
16、D1708D等器件均符合上述要求。 c高速图像采集为探测高速飞行物体的飞行姿态或测量其他高速运动体的 表面质量的需要，提高线阵CCD的工作速度是关键。对于高速 工作的线阵CCD，常采用“分段同步驱动”的设计思想，例如， RL188D器件为分16段并行驱动输出的1024像元线阵CCD，若 每段的工作频率为40MHz，等效驱动频率为640MHz。40MHz工作频率的制造工艺不难实现，高速飞行或运动物体的检测问 题也不难解决。2 面阵列CCD摄象器件 帧转移面阵CCD 成像区 暂存区 水平读出寄存器 2 面阵列CCD摄象器件 1)结构成像区 暂存区 场正程期间： 场逆程期间： 光学图像电荷包图像电荷包图像2)工作过程暂存区 场正程期间： 水平读出寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像暂
