《新型传感器c第三章--电荷耦合器件10》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型传感器c第三章--电荷耦合器件10（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,精彩图片欣赏（2）,精彩图片欣赏（3）,精彩图片欣赏（4）,精彩图片欣赏（5）,精彩图片欣赏（6）,精彩图片欣赏（7）,精彩图片欣赏（8）,是谁将美丽留驻,？,第一节 CCD的物理基础 第二节 CCD工作原理 第三节 CCD器件 第四节 CCD的应用,第3章 电荷耦合器件,Charge Coupled DeviceCCD,电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定规律排列的 MOS电容器阵列组成的移位寄存器，在MOS电容器阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。,第一节 CCD的物理基础,可以实现光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、 处理以及电子快门等一系列
2、功能。,金属,SiO2,p-Si,VG,1200- 1500A,具有以下一些特点：,一般特性：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。,分辨率高：线阵7000Pixel、分辨能力7m，面阵40964096，整机分辨能力1000线以上。,兼容性：任选模拟、数字输出形式，与同步信号、I/O接口及微机兼容，组成高性能系统。,分类：线阵和面阵器件。,光电特性：灵敏度高、动态范围大。灵敏度0.01Lx，动态范围106：1，信噪比6070dB。,一、稳态情况MOS结构的物理性质,VG 0,1、VG0。金属电极上加负电压,2、半导体表面的表面势VS 0，,3、排斥电子、吸引空穴,4、近表面处的空穴浓度增大
3、。,多数载流子堆积状态,VG 0。,MOS状态的定性分析(一),半导体表面内排斥空穴、吸引电子，形成负耗尽区。,耗尽区称为电子“势阱”。,势阱深度就是指耗尽层的厚度。,耗尽状态,在 n型p型之间仍是耗尽层。,MOS状态的定性分析(二),弱反型,VG Vth，,强电场将p中少子吸引到半导体表面。,电子在p型硅表面形成n型薄层，即弱反型状态 。,MOS达到稳定状态。,MOS状态的定性分析(三),强反型,VG Vth 继续增大。,界面下电子浓度等于衬底受主浓度(多子浓度)，即强反型状态。,耗尽层的宽度保持其最大值不变。,MOS状态的定性分析(四),强反型,VG Vth ，继续增大,反型层内的电子数量
4、增加，达到最大值。,反型层状态的定量分析,表面：MOS结构的衬底与氧化物之间的交界面；,出现“强反型”的条件是表面势VS为：,式中：NA 为p-Si掺杂浓度； ni =(n0p0)1/2； n0 、 p0体内热平衡时的电子浓度和空穴浓度。,VG,VS,表面势：,表面的电动势,vox,理论上，VGVth就使 MOS结构形成强反型状态， 实际中 ，还应考虑到所谓“平带电压”的存在。,从电路看，表面势VS为,-表面出现反型状态时对应的外加栅压VG,以Vth表示.,Vth = VS + Vox,其中：,VS = VG - Vox,阈值电压：,二、非稳态情况MOS结构的物理性质,动态过程：施加栅压的瞬间
5、，半导体表面的空穴被排斥而形成耗尽区。反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电子空穴对的电子。,从非平衡态的建立开始到达热平衡状态（即稳态）需要一定的时间-存贮时间T。,0：耗尽区少子寿命；ni：本征载流子浓度；NA：受主浓度,达热平衡之前，MOS结构中是空的电子势阱。从表面一直到体内较深处（称深耗尽）。,如果用信号电子QS注入势阱，势阱变浅；当表面势VS下降至两倍费 米电势时，势阱“充满”，不再能吸纳信号电子。,非稳态时，VS大，势阱深。势阱所能容纳的最大电荷量近似为：,QS = CoxVGAd,第二节 CCD的工作原理,1、采用单层单电极，势阱对称。时钟脉冲控制电荷传输方向，防止电荷倒流。
6、,一、CCD的电极结构,若干电极为一组构成一“位”。每位有有独立的驱动时序，称作“相”。电极结构分为二相、三相、四相三类。,2、为使电荷传输，采用交叠电极结构.,三相电极结构：,2、这种二相电极结构减少时钟脉冲相数，电路相对简单。,二相电极结构：,氧化层厚度大或掺杂浓度高的地方势阱浅， 氧化层厚度薄或掺杂浓度低的地方势阱深。,1、施加电压后，形成不对称的势阱，,二、CCD的电荷转移,1、三相CCD的电荷转移,2、二相CCD的电荷转移,3、CCD的电荷输出,（1） 电流输出方式：,4、输出线性与输出二极管结电容大小有关，输出信噪比取决于体外放大器。,3、电荷转移到输出扩散结本质上是无噪声的。,2
7、、电荷包进入3下后 3从高变低 ，VOG升高（同时提升了二极管的反向偏压），形成反向电流，通过负载电阻流入体外放大器。,1、构成：输出栅OG、输出反向二极管、片外放大器。,VB,LPF,C,式中，gm为T1栅极与源极之间的跨导。,（2）电压输出方式：,在体外集成复位管T1和放大管T2。,1、在3下的势阱形成之前， 加 r，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过T2的沟道抽走。,式中，CFD为浮置扩散节点上的总电容。,所有的单元做在同一衬底上，抗噪声性能比电流输出好。,vout,r,Vcc,浮置扩散放大器:,原理:,2、当信号电荷到来时，T1截止，信号电荷控制T2的栅极电位：,Vout = Qs /
8、 CFD,3、在输出端获得的放大了的信号电压为,4、CCD的特性参数,没有被转移Q（=Q1-Q0）与原有Q0之比值，称作转移损失率。,电荷转移效率及电荷转移损失率,1)、定义：,当前电极下Q1与上一电极Q0的比值，称作转移效率。,4、CCD的特性参数,2)、计算式：,如果总转移效率太低， CCD器件就失去实用价值。因为，如果一定，那么器件的位数就受到限制。,如果转移 n个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为：,Qn / Q0 = n = ( )n e -n,结论：,2、计算式：,N / f L （or） f L N / （相数 N = 2、3、4）,工作频率,f太高，会降低总转
9、移效率，同样降低了信噪比。,CCD器件的工作频率应选择在fL 和fh 之间。,1、定义：,信号电荷从一个电极转移到另一个电极的频率 f，包括上限频率及下限频率。,f 太低，热激发的少子过多填入势阱，降低输出信号的信噪比。,Th / 3=1/(3 f h ) tm （or） fh (3 tm)-1 （相数 N = 2、3、4）,工作频率的上限fh：,工作频率下限f L ：,2、计算式：,Nmax= Cox VG Ad / q = V G 0 s Ad2 / dq,一定栅极电压作用下，势阱中能容纳的最大电荷量,电荷贮存容量,可以近似地当作电容对电荷的存储来分析,Qs = Cox VG Ad,式中，
10、VG 为时钟脉冲变化幅值； Cox为SiO2层的电容；Ad为栅电极面积。,如果SiO2氧化层的厚度为d，则势阱中最大电荷贮存容量为：,1、定义：,举例,设电极下氧化层厚度 d1500nm， VG10V，s =3.9, 08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。 计算得Nmax =7106 ， 可容纳1000 Lx 的光照射2ns所产生的载流子,电荷贮存容量,3、举例：,入射在CCD象元上的单位能流密度所产生的输出电压Vs的大小，用SV表示。,灵敏度,2、计算式：,1、定义：,1、定义：在一定的测试条件下， CCD能传感的景物光学信息的最小空间分布，用Tx表示。,2、计算
11、式：设CCD像元精密排列，象素中心间距t，则器件的极限分辨率 Tx = 2t 。,分辨率,1、定义： 指器件在相同光能量照射下，输出的电压Vs与光波长之间的关系。,光谱响应随光波长的变化而变化的关系称为光谱响应函数,光谱响应,2、光谱响应率由器件光敏区材料决定。,第三节 CCD器件,一、典型的CCD结构,单沟道线阵CCD结构,移位寄存器CCD,转移栅,光栅,光敏元,输出,双沟道线阵CCD结构,帧转移CCD结构,行间转移CCD结构,二、典型的CCD器件及其驱动,TCD142D型CCD,5、像元结构： 2110个光敏像元阵列,62个哑元（前51个、后 11个) 双沟道,性能参数：,1、象素(象元)
12、：2048位线阵,2、相数：二相。,3、像元尺寸： 14m，光敏阵列总长28672m,4、引脚： 1A 、2A 、1B 、2B均为时钟端、SH为移动栅、 RS 为复位栅, OS为移动栅、DOS为补偿输出端、OD为电源端、 SS为接地端、NC空闲。,TCD142D驱动波形,6、 RS复位一次输出一个光电信号。 DOS端是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动脉冲 对输出电路的容性干扰信号，若将OS和 DOS分别送到差分放大器的两个输入端，则在输出端将得到被放大的没有驱动脉冲干扰的光电信号。,1、SH为同步脉冲，B时段，光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通，信号电荷转移至l 电极下。,2、C时段，隔离光敏
13、区与移位寄存器之间的势阱沟通。,3、随后，l 与2交替变化，信号电荷顺序转移，经由OS引脚输出。,4、输出：12个虚设脉冲（结构上的原因） 51个暗电流脉冲 2048个信号脉冲 11个暗电流脉冲（共12+51+2048+11=2122个脉冲） 多余无信号脉冲。,5、该器件是两列并行传输，在一个SH 周期中至少要有1061个1脉冲，即TSH1061T1。,TCD142D驱动电路,三、CCD器件的选择（自学）,第四节 CCD的应用,一、尺寸测量,测量精度：外径0.1mm 壁厚0.05mm,设计思想 （）,设计指标,玻璃管平均外径：12mm 壁厚：1.2mm,根据CCD测量灵敏度的需要，0.04mm
14、要大于2个 CCD光敏像素的空间尺寸，选择TCD132D（光敏区长102414m=14.336mm）。,则： d1 = n1t / d2 = n2t / D = Nt / ,光学参数计算,设：物镜放大率：,象元尺寸：t,上壁厚：d1 ，脉冲数n1,下壁厚： d2 ，脉冲数n2,外径尺寸：，脉冲数：N,选择远心光路的放大率 为0.8倍，则：,玻璃管的像大小为：9.6mm,外径及壁厚测量精度要求反应在像面上为：0.08mm及0.04mm。,二、位移测量,设计思想 （）,设计指标：,最大电动程：3mm,最小微位移：0.004mm,测量仪器设计确定：,测量范围：03.5mm,灵敏度：0.003mm,测
15、量误差：0.1,非接触在线测量,式中：N为M1M2之间的象素数量。,L = (LBa - LBa) + 0.5 (Wab - Wab) L = (NL - NL) + 0.5 (NW - NW),分析,设：放大系数,CCD面上光强凹陷移动L，则：顶杆的电动程,x = L / ,又设CCD单元象素宽度为t, 则：,L = Nt,计数电路,当SOUT为高电平时，计数器开始对M计数，直至SOUT为低电平止。,以SH为标志，SH出现起延时固定时间，由计算机输出r ，开启4040对M计数，直至SOUT出现。,记录NL ：,记录NW ：,三 、信号的二值化,三、数码相机成像,远心光路,物方远心光路,象方远心光路,1、当VG0时，半导体的能带并不是平的，而是向上有所弯曲。,平带电压,1、为了使能带变平，需要附加一定的电压，这个电压称平带电压，用 VFB表示。,2、这是由于界面处有一定的正电荷存在，在氧化物中有可移动的电荷，界面处的能带稍向上弯曲。,2、考虑到VFB，栅极上所加的电压必须是VG (Vth + VFB)。,CCD的电荷转移,每一象素（象元）含有若干CCD电极,图像传感技术给汽车装上眼睛 （1） 目前的汽车系统都是通过超声波传感器来计算距离的，比如可以在司机倒车的时候对障碍物进行报警。因为雷
