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1、电荷耦合器件1.1CCD介绍：CCD (charge-coupled device)，一种用于探测光的硅片，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件，比传统的底片更能敏感的探测到光的变化。是用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。英文简称 CCD 。电荷耦合器件由美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯于1969年发明，它由一组规则排列的金属-氧化物-半导体（ MOS）电容器阵列和输入、输出电路组成。 传统的固态电子器件，信息的存在和表示方式，通常是用电流或电压 。而
2、在CCD中，则是用电荷，因此CCD对信息的表达 ，具有更高的灵敏度。固体成像 、信息处理和大容量存储器是CCD的三大主要用途。各种线阵、面阵传感器已成功地用于天文、遥感、传真、摄像等领域。CCD信号处理兼有数字和模拟两种信号处理技术的长处，在中等精度的雷达和通信系统中得到广泛的应用 。CCD还可用作大容量串行存储器，其存取时间、系统容量和制造成本都介于半导体存储器和磁盘、磁鼓存储器之间。CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优
3、于CMOS工艺下的CCD。 1.21.21.21.2国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 1969年，美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯在探索磁泡器件的电模拟过程中，产生了电荷耦合器件的原理设想，并在实验中得到验证。他们提出，紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器，可用来储存和转移电荷。初期的CCD存储和转移信号电荷的势阱都位于硅-二氧化硅界面处,即所谓表面沟道CCD。1972年D.康首先设想了多数载流子CCD形式,在此基础上人们研制出体沟道CCD和“蠕动”型CCD的新结构,有效地改善了CCD的性能。1973年美国仙童公司制成CCD摄像传感器，CCD遂从实验室进入工
4、业生产的实用阶段。 中国于1975年研制出32位 CCD移位寄存器。中国的CCD研制工作主要集中于 CCD成像和信号处理。CCD摄像器在航空摄像、遥控、工业自动化等部门已获应用。CCD模拟延迟线和抽头延迟线在雷达和通信设备更新中发挥了重要作用。 1.2CCD的发展历史：完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。 早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaig
5、e Orthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。 1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。 1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。 1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。 1970年，美国贝尔实验室发现的电荷耦合器件（Charge Coupled
6、Device,简称CCD) 的原理，使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。CCD本身就能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程。 它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。1.3CCD的优点：(1) 体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长； (2) 无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰； (3) 象元尺寸精度优于1m,分辨率高； (4) 基本上不保留残象（真空摄像管有15%20%的残象）。 (5) 视频信号
7、与微机接口容易。2.1CCD的结构：在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为0.1-0.2微米的SiO2层，然后按一定次序沉积N个金属电极作为栅极，栅极间的间隙约2.5m，电极的中心距离1520m ，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个金属-氧化物-半导体结构，即MOS结构。CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。 CCD的结构图CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）图像传感器主要有两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件，称为表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；另一种为信号电荷包存储在
8、距离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移的器件，称为体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。下面以SCCD为例讨论CCD的基本工作原理。 2.2CCD工作原理和电极结构：构成CCD的基本单元是MOS结构。如图8-15（a）所示，当金属电极加上正电压时，接近半导体表面的空穴被排斥，电子增多，在表面下一定范围内只留下受主离子，形成耗尽区(图8-15（b）所示)。该区域对电子来说是一个势能很低的区域，也称势阱。加在栅极上的电压愈高，表面势越高，势阱越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量增加而线性下降。电荷包形成：当有光照时，光生电子被收集到势阱中，形成电荷包。 一个MOS单元是
9、一个光敏元电荷耦合： 设t=t1时，已有信号电荷存贮在偏压为+10V的号电极下的势阱里. 当t=t2时，电极和电极均加有+10V电压，所形成的势阱就连通，电极下的部分电荷就流入电极下的势阱中。当t=t3时，电极上的电压由+10V变为+2V，下面的势阱由深变浅，势阱内电荷全部移入电极下的深势阱中。 由此，从t1t3 ，深势阱从电极下移动到下面，势阱内的电荷也向右转移了一位。如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位一位地顺序传输。CCD的电极结构：CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构形式。 3
10、.电荷的注入和检测：CCD工作过程分三部分:信号输入、电荷转移和信号输出部分。输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：光注入和电注入。 （光注入是摄像应用，电注入是在滤波、延迟线和存储器应用的情况。）光注入：正面和背面光照式：Qin=qNeoAtc注：式中：为材料的量子效率；q为电子电荷量； Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。 电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更
11、高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通道”流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。输出部分由输出二极管、输出栅和输出耦合电路组成，作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。 浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用，它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度(数百毫伏)，以及良好的线性和较低的输出阻抗。输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系： Qs=Iddt 3.1电荷耦合器件的分类CCD器件按结构
12、可分为两大类：线阵CCD和面阵CCD。1 线阵CCD 最简单的线阵CCD是由一个输入二极管(ID)、一个输入栅(IG)、一个输出栅(OG)、一个输出二极管(OD)和一列紧密排列的MOS电容器构成，如下图所示。（1）电极是金属的容易蔽光，即使是换成多晶硅，由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉比较严重，因此光强损失大，量子效率低。 （2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。 将光敏区和转移区分开，构成单边传输结构和双边传输结构。单排传输结构是光敏区通过其一侧转移栅与CCD移位寄存器相连。光敏元与CCD转移单元一一对应，二者之间设有转移栅，移位寄存器上覆盖有铝遮光，光敏区像
13、元由光栅控制，如左下图所示。 双排传输结构是将两列CCD移位寄存器平行地配置在光敏区两侧，如右上图所示。比单边结构型CCD的转移次数少近一半，它的总转移效率亦大大提高，所以一般在大于256像素以上的线阵CCD摄像器件中，均采用双排传输结构。 2.面阵CCD面阵CCD常见有两种：帧转移型(FT)和行间转移型(1LT)FTCCD帧转移结构包括光敏区、暂存区、水平读出寄存器和读出电路4个部分。 其结构特征是光敏区与暂存区分开，光敏区由并行排列垂直的电荷耦合沟道组成。各沟道之间用沟阻隔离，水平电极条覆盖在各沟道上。光敏区与暂存区CCD的列数、位数均相同，不同之处是光敏区面积略大于暂存区的面积。 读出寄
14、存器的每一个转移单元与垂直列电荷耦合沟道一一对应，如下图所示。 2.ILTCCD行间转移(内线转移)结构采用了光敏区与转移区相间排列方式。相当于将若干个单边传输的线阵CCD图像传感器按垂直方向并排，底部设置一个水平读出寄存器，其单元数等于垂直并排的线阵CCD图像传感器的个数，如下图所示。 帧转移结构和行间转移结构各有其优缺点。帧转移结构简单，灵敏度高；行间转移结构适合于低光强，“拖影”小。 4. CCD的性能参数1 电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。设原有的信号电荷为 ，转移到下一个电极下的信号电荷 ，其比值 ： （称为转移效率）没有被转移的电荷Q与原
15、信号电荷之比：（称为转移损失率）电荷转移效率与损失率的关系为 ：当信号电荷转移n个电极后的电荷为 时，总转移效率为：一个CCD器件如果总转移效率太低，就失去实用价值。影响转移效率的因素很多，其中最主要因素还是表面态对信号电荷的俘获。 为此，采用“胖零”工作模式，所谓“胖零”工作模式就是让“零”信号也有一定的电荷来填补陷阱，这就能提高转移效率和速率。 2. 光谱响应率和干涉效应CCD受光照的方式有正面受光和背面受光两种。 背面光照的光谱响应曲线与光电二极管相似，如下图中曲线2。如果在背面镀以增透膜减少反射损失而使响应率有所提高，如图中曲线3。 正面照射时，由于CCD的正面布置着很多电极，光线被电极多次反射和散射，一方面使响应率减低，另一方面多次反射产生的干涉效应使光谱响应曲线出现起伏，如图中曲线1所示。为了减小在短，可以减小起伏幅波方向多晶硅的吸收，用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做电极度。3 分辨率和调制传递函数（MTF）CCD由很多分立的光敏单元组成，根据奈奎斯特定律，它的极限分辨率为空间采样频率的一半，如果某一方向上的象元间距为p
