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1、CCDCCD基本工作原理基本工作原理第五讲第五讲 CCD图像传感器图像传感器基本工作原理基本工作原理CCD型图像传感器突出特点：型图像传感器突出特点：以电荷为信号载体；以电荷为信号载体；CCD的基本功能：的基本功能：电荷的存储和电荷的转移；电荷的存储和电荷的转移；CCD图像传感器的基本工作过程：图像传感器的基本工作过程：p光电转换光电转换 （将光转换成信号电荷）（将光转换成信号电荷）p电荷的储存（存储信号电荷电荷的储存（存储信号电荷-光积分）光积分）p电荷的转移（转移信号电荷）电荷的转移（转移信号电荷）p电荷的检测（将信号电荷转换成电信号）电荷的检测（将信号电荷转换成电信号）光电二极管光电二极
2、管FD放大器放大器CCDp电荷存储电荷存储p电荷耦合电荷耦合pCCD电极结构电极结构p电荷注入和电荷注入和检测检测pCCD特性参数特性参数p电荷耦合摄像器件：工作原理电荷耦合摄像器件：工作原理、特性参数、特性参数第五讲第五讲 CCD图像传感器图像传感器基本工作原理基本工作原理一、电荷存储一、电荷存储光电转换得到的信号电荷怎么存储？光电转换得到的信号电荷怎么存储？ 信号电荷以何种机制储存？信号电荷以何种机制储存？p信号电荷是空穴还是电子？信号电荷是空穴还是电子？CCD多用多用电子电子p利用电子可以被高电势所吸引的性质。利用电子可以被高电势所吸引的性质。 在光电二极管中，不管用什么方法在光电二极管
3、中，不管用什么方法只要做出高于周只要做出高于周围电势的部分围电势的部分，信号电荷，信号电荷(电子电子)就可以在此集中储存。就可以在此集中储存。 电势阱电势阱：储存信号电荷的电势分布状态：储存信号电荷的电势分布状态 为为了了存存储储电电荷荷必必须须制制造造一一个个存存储储区区。不不仅仅要要把把生生成成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集电荷不被复合。的电荷尽量收集起来，而且保证所收集电荷不被复合。MOS 电容器电容器（也称（也称MOS二极管）二极管） CCD是是由由若若干干MOS单单元元组组成成，它它具具有有存存储储和和转转移移信信息息的的能能力力，故故又又称称为为动动态态移移位位寄存器寄存器。
4、MOS电电容容器器有有二二种种类类型型：表表面面沟沟道道和和掩掩埋埋沟沟道道。 这这二二种种类类型型MOS电电容容器器的的制制造造只只有有些些许许不不同同；然然而而，由由于于埋埋沟沟电电容容结结构构具具有有很很多多显显著著的的优优点点，因因此此这这种种结结构构成成了了CCD制制造造工工艺艺的的首首选选。事事实实上上今今天天制制造造的的所有所有CCD几乎都利用埋沟结构。几乎都利用埋沟结构。 CCD的构成基础：的构成基础：MOS电容器电容器(Metal-Oxide-Semiconductor) 金属金属 -氧化物氧化物- 半导体半导体 MOS电容器的结构如图所示。在电容器的结构如图所示。在P型（或
5、型（或N型）半导体硅衬型）半导体硅衬底上，生长一层很薄的底上，生长一层很薄的SiO2绝缘层，再蒸镀上一层绝缘层，再蒸镀上一层金属金属(铝铝)或或高掺杂的多晶硅高掺杂的多晶硅作为栅电极。作为栅电极。衬底接地，栅极外接电压。衬底接地，栅极外接电压。 半半导导体体作作为为底底电电极极，称称为为“衬衬底底”。衬衬底底分分为为 P型型硅硅衬衬底底和和 N型型硅硅衬衬底底，它它对对应应不不同同的的沟沟道道形形式式，由由于于电电子子迁迁移移率率高高，所所以，大多数以，大多数 CCD选用选用 P型硅衬底。型硅衬底。当当在在栅栅电电极极上上加加上上 UG 0的的小小电电压压时时， P型型衬衬底底中中的的空空穴穴
6、从从界界面面处处被被排排斥斥到到衬衬底底的的另另一一侧侧，在在Si表表面面处处只只留留下下一一层层不不能能移移动动的的受受主主离离子子，这这种种状状态态称称为为多多数数载载流流子子“耗耗尽尽状状态态”，形形成成图图中中的的充充电电区区域域(空空间间电电荷荷区区)称称作作耗耗尽尽区区。（相相当当于于 MOS电电容容器器充充负负电）电） UG为为零零时时， Si表表面面没没有有电电场场的的作作用用，其其多多数数载载流流子子浓浓度度与与体体内内一一样样。 Si本身呈电中性。本身呈电中性。P型半导体多数载流子为空穴。型半导体多数载流子为空穴。 正正电电压压 UG进进一一多多增增加加，当当 UG超超过过
7、某某一一阈阈值值Uth时时，将将使使得得半半导导体体体体内内的的电电子子（少少数数载载流流子子）被被吸吸引引到到半半导导体体表表面面附附近近，形形成成一一层层极极薄薄（厚厚度度约约10nm）但但电电荷荷浓浓度度很很高高的的反反型型层层。这这种种情情况称之为况称之为“反型状态反型状态”。（电势能最低点）（电势能最低点） 反反型型层层电电荷荷的的存存在在表表明明MOS结结构构存存储储电电荷荷的的功能。功能。表面势表面势 ：半导体与氧化层界面上的电势。：半导体与氧化层界面上的电势。表面势表征了耗尽区的深度，与栅极电压和氧化层厚表面势表征了耗尽区的深度，与栅极电压和氧化层厚度有关度有关不同氧化层厚度不
8、同氧化层厚度不存在反型层电荷时不存在反型层电荷时势阱：阱：由表面由表面势产生的阱生的阱状空状空间。有的定有的定义为：存：存储电荷的荷的电势分布状分布状态。电极上的极上的电压越大，越大，势阱阱越深，可存越深，可存储的的电荷量越荷量越多，也就代表了多，也就代表了CCD器件器件具有具有电荷存荷存储功能。功能。理论分析参见半导体物理理论分析参见半导体物理 栅极极电压不不变时，表面，表面势与反型与反型层电荷密度的关系：荷密度的关系：反型层电荷填充势阱时，表面势收缩的情况：反型层电荷填充势阱时，表面势收缩的情况：势阱存信号电荷势阱存信号电荷类似水桶盛水类似水桶盛水水桶模型溢出溢出现象现象中国科学院长春光学
9、精密机械与物理研究所电荷的收集电荷的收集 埋沟埋沟MOS 电容器二氧化硅电极N型硅P型硅光生电子空穴对耗尽区 埋沟电容是在 一个 p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面上形成一个 n-型区(1m厚)； 然后，生长出一层薄的二氧化硅(0.1m厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。电子的势能：q 是电子的电荷量，而为静电势 2-6中国科学院长春光学精密机械与物理研究所无偏置时， n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散， p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散； 这个结构与二极管结的结构完全相同。上述的扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。n
10、p沿此线的电势示于上图.电势CCD厚度方向的截面图这种埋沟结构的优点是能使光生电荷离开CCD 表面，因为在CCD表面缺欠多，光生电荷会被俘获。这种结构还可以降低热噪声（暗电流）。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器电子势能最小的地方位于n-型区内并与硅 - 二氧化硅 (Si - SiO 2) 的交界面有一定距离 这个势能最小(或电位最高) 的地方就是多余电子聚集的地方。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位 。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边
11、界由沟阻确定。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器电势电势势能势能中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD曝光时，产生光生电荷，光生电荷在势阱里收集。随着电荷的增加，电势将逐渐变低，势阱被逐渐填满，不再能收集电荷，达到饱和。 势阱能容纳的最多电荷称为满阱电荷数。np电势最大电势区电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所实际的埋沟结构埋沟结构的两边各有一个比较厚(0.5-1.5m)的场氧化物区。该区与高掺杂的 p-型硅一起形成形成沟阻，该区的静电势对栅极的电压和电压变化不敏感，始终保持形成势垒。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器栅极N型埋沟场氧化物沟阻P
12、型衬底耗尽区信号电荷氧化物中国科学院长春光学精密机械与物理研究所埋沟结构的MOS电容的主要特点是：能在单一电极之下的一个局部区域内产生势阱；能调整或控制栅极下面的势能；储存电荷的位置 (势能最小处)离 Si- Si02 交界面有一定的距离；低的暗电流使其能够长时间的储存信号电荷 (取决于工作条件可以从数十秒到数小时)；所收集的电荷可以通过光照、电注入等产生；能快速地将电荷从一个电极之下的一个位置转移到下一个邻近的电极下面，而且损失非常低。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所像元边界电荷包p-型硅n-型硅SiO2 绝缘层电极结构像元边界入射的光子 光子入射到
13、CCD中产生电子空穴对， 电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。电荷的收集电荷的收集电荷收集的效率与电势的分布、复合寿命和扩散长度有关。二、电荷耦合二、电荷耦合MOS电容器中存储的电荷如何移动？电容器中存储的电荷如何移动？显微镜下的显微镜下的MOS元表面元表面P型Si耗尽区电荷转移方向123输出栅输入栅输入二极管输出二极管 SiO2 CCD的的MOS结构结构原理：利用电势阱移动信号电荷原理：利用电势阱移动信号电荷类比：类比：水按顺序倾倒到相邻水桶水按顺序倾倒到相邻水桶问题：如何实现？问题：如何实现？时序驱动脉冲时序驱动脉冲 以以三相三相CCD为例说明控制电
14、荷定向转移的过程为例说明控制电荷定向转移的过程:电极仅靠电极仅靠势阱合并势阱合并 每一个像素上有三个金属电极每一个像素上有三个金属电极,依次在上面施加三个相位不同的控制脉冲依次在上面施加三个相位不同的控制脉冲三相CCD的电荷包转移过程注意各个电极上电压的变化注意各个电极上电压的变化:驱动脉冲波形设计驱动脉冲波形设计三相普通结构三相普通结构CCD假设初始时刻电荷存储在电极1下，向右定向移动从上到下依次为1 2 31 0 0 1 0 0 1 0 0 t11 1 0 1 1 0 1 1 0 t20 1 0 0 1 0 0 1 0 t30 1 1 0 1 1 0 1 1 t40 0 1 0 0 1 0
15、 0 1 t51 0 1 1 0 1 1 0 1 t61 0 0 1 0 0 1 0 0 t7TT作业一 设计由普通电极结构组成的设计由普通电极结构组成的四相四相CCD的驱动脉冲。的驱动脉冲。 设计要求：设计要求：信号电荷最初仅存在于电极信号电荷最初仅存在于电极2下，并下，并要求信号要求信号电荷从左到右在荷从左到右在CCD中定向移中定向移动。 波形分析：波形分析：根据根据驱动波形知道波形知道驱动脉冲的占空比脉冲的占空比为多少？多少？驱动脉冲脉冲时序上的关系序上的关系 （2 比比1延延迟多多长时间）？）？驱动电路：路：相相应的的时序序电路如何路如何设计？从上到下依次为1 2 3 4说明：说明：C
16、CD的电极分成几组，每一组称为的电极分成几组，每一组称为一相一相，每一组施加每一组施加同样的时钟驱动脉冲同样的时钟驱动脉冲。 CCD工作所需要的工作所需要的驱动脉冲相数驱动脉冲相数由其由其电极结构电极结构决定。对于普通决定。对于普通结构的结构的 CCD，为了使，为了使电荷包电荷包单向转移，至少需要三相。单向转移，至少需要三相。 对于对于特殊结构的特殊结构的 CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。，也可采用二相供电或四相供电等方式。信号电荷必须在相应驱动脉冲作用下，才能以一定方向逐单元信号电荷必须在相应驱动脉冲作用下，才能以一定方向逐单元地转移。地转移。CCD电极间隙必须很小电极间隙必须很小
17、（不大于（不大于3微米），电荷才能不受阻碍微米），电荷才能不受阻碍地从一个电极转移到相邻电极下；如果电极间隙过大，两电极的地从一个电极转移到相邻电极下；如果电极间隙过大，两电极的势阱就被势垒隔开，不能合并，也就不能发生移动了。势阱就被势垒隔开，不能合并，也就不能发生移动了。CCD转移电极一般用金属铝或多晶硅制成；转移电极一般用金属铝或多晶硅制成；CCD转移电极基本要求：转移电极基本要求：电荷定向转移电荷定向转移相邻势阱耦合相邻势阱耦合三、三、CCD的电极结构的电极结构信号电荷转移的驱动接入信号电荷转移的驱动接入1、三相电极结构、三相电极结构(三相三相 CCD) 采采用用对对称称电电极极结结构构
18、，三三相相 CCD是是最最简简单单的的电电极极结结构构。因因为为在在某某一一确确定定的的时时刻刻，对对存存贮贮有有电电荷荷的的电电极极而而言言，两两个个相相邻邻电电极极，需需要要一一个个被被“打打”开开，另另一一个个保保持持“关关”闭，以阻止电荷倒流。闭，以阻止电荷倒流。 通常这种电极结构有三种形式：通常这种电极结构有三种形式： 三相单层铝电极结构三相单层铝电极结构三相电阻海结构三相电阻海结构三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构（1 1）三相单层铝电极结构）三相单层铝电极结构 在在轻轻掺掺杂杂的的硅硅衬衬底底上上先先生生成成一一层层0.1m的的 SiO2，而而后后在在 SiO2上蒸发一层铝，采用光
19、刻工艺形成间隙很窄的电极。上蒸发一层铝，采用光刻工艺形成间隙很窄的电极。 结结构构存存在在明明显显的的缺缺点点：电电极极间间隙隙处处 SiO2表表面面裸裸露露在在周周围围气气氛氛中中，有有可可能能沾沾污污 SiO2表表面面，造造成成表表面面势势不不稳稳定定，影影响响转转移移效率。效率。（2 2） 三相电阻海结构三相电阻海结构 为为得得到到封封闭闭的的电电极极结结构构，采采用用的的方方法法之之一一就就是是引引用用硅硅栅栅结结构构。在在氧氧化化物物层层上上沉沉积积一一层层多多晶晶硅硅，然然后后按按要要求求对对电电极极区区域域选选择择掺掺杂杂(硼硼或或磷磷)，形形成成图图中中的的低低阻阻多多晶晶电电
20、极极，电电极极间间互互连连和和焊焊接接区区采采用蒸铝来实现。用蒸铝来实现。结构优点：结构优点：封闭式，性能稳定，成品率高；封闭式，性能稳定，成品率高；缺缺点点：由由于于光光刻刻和和多多晶晶硅硅定定域域掺掺杂杂难难以以保保证证电电极极间间高高阻阻区区很很窄窄，使得每个单元尺寸较大，这样的结构仅用于小型列阵器件。使得每个单元尺寸较大，这样的结构仅用于小型列阵器件。（3 3） 三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构是常用三相交叠电极结构形式。三相交叠硅栅结构是常用三相交叠电极结构形式。电极间窄间隙，又封闭电极间窄间隙，又封闭的电极结构。的电极结构。三三相相交交叠叠电电极极可可以以是是多多晶
21、晶硅硅，也也可可以以是是铝铝金金属属，或或者者两种混用。两种混用。（3 3） 三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构 三三相相交交叠叠硅硅栅栅的的形形成成工工艺艺：先先在在硅硅表表面面生生成成一一层层高高质质量量的的氧氧化化物物（栅栅氧氧），跟跟着着沉沉积积一一层层多多晶晶硅硅，掺掺杂杂后后按按规规定定图图案案光光刻刻出出第第一一组组电电极极；而而后后再再进进行行热热氧氧化化，形形成成一一层层氧氧化化物物，再再沉沉积积多多晶晶硅硅、掺掺杂杂，第第二二次次光光刻刻出出第第二二组组电电极极；第第三三组组电电极极形形成成方方法法与与第第二二组组电电极极相相同。同。2、 二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝交叠栅结
22、构 为为使使 CCD能能在在二二相相时时钟钟脉脉冲冲驱驱动动下下工工作作，电电极极本本身身必必须须设设计计成成不不对对称称性性，在在这这种种不不对对称称电电极极下下产产生生体体内内势势垒垒，即即由由电电极极本本身身保保证电荷能定向运动。证电荷能定向运动。 常用方法：常用方法：利用利用绝缘层厚度不同的台阶绝缘层厚度不同的台阶和离子注入产生的势垒和离子注入产生的势垒优点优点：二相时钟方法的时钟驱动简单。缺点缺点：厚氧化层下面是阻挡势垒，不能存贮电荷，加之势阱势垒差减小， 所以，能够存贮在势阱中的信号电荷量比三相时钟情况少。一相电极一相电极3、四相、四相CCD 四四相相 CCD工工作作状状态态与与三
23、三相相器器件件、二二相相器器件件相相比比，较较为为适适合合于于工作时钟频率很高的情况工作时钟频率很高的情况(如如100MHz)，此时驱动波形接近正弦波。，此时驱动波形接近正弦波。双重势垒相隔，双重势垒相隔，转移效率提高转移效率提高4、体沟道、体沟道CCD （埋沟道（埋沟道CCDBCCD） 前前面面讲讲的的CCD，信信号号电电荷荷是是贴贴近近氧氧化化层层界界面面的的衬衬底底内内转转移移。表表面面 CCD存存在在如如电电荷荷转转移移速速度度和和转转移移效效率率低低等等问问题题。其其主主要要原原因是受表面态和迁移率的影响。因是受表面态和迁移率的影响。 设设法法将将信信号号的的转转移移沟沟道道移移到到
24、半半导导体体体体内内，即即通通过过对对转转移移沟沟道道进行离子注入，使势能的极小值离界面有一定距离。进行离子注入，使势能的极小值离界面有一定距离。两种来源：两种来源：光注入光注入（图像传感器）（图像传感器）电注入电注入Qin=qNeoAtc为材料的量子效率；为材料的量子效率； q为电子电荷量；为电子电荷量； Neo为入射光的光子流速率；为入射光的光子流速率； A为为光敏单元的受光面积；光敏单元的受光面积； tc为为光的注入时间。光的注入时间。 四、电荷的注入四、电荷的注入CCD的的MOS电容器中信号电荷的来源？电容器中信号电荷的来源？、光注入：分为正面照射式和、光注入：分为正面照射式和背面照射
25、式背面照射式Qin =qANeotc2、电注入：、电注入：给 CCD势阱中注入电荷通过输入结构对信号电压或电路进行采样，然后转换成信号电荷注入到相应的势阱中。电压注入法结构模拟输入信号IG:输输入入栅栅极极；当当CR2为为高高电电平平时时，可可将将ID极极看看成成MOS晶晶体体管管的的源源极极，IG为栅极，为栅极，CR2为漏极。为漏极。电流注入法结构注入信号电荷与Uin非线性关系五、电荷的检测五、电荷的检测 (输出输出) MOS电容器中信号电荷最后咋输出？电容器中信号电荷最后咋输出？ 目前的目前的CCD输出电荷信号主要是利用输出电荷信号主要是利用电流输出方式电流输出方式。 电路组成：电路组成：
26、1 输出二极管反向偏置电输出二极管反向偏置电路。路。由电源由电源UD 、电阻、电阻R、 衬底衬底p和和N+区构成的输出区构成的输出二极管反向偏置电路，对二极管反向偏置电路，对于电子来说，于电子来说，N+区下面相区下面相当于一个很深的势阱。当于一个很深的势阱。2 源极输出放大器源极输出放大器3复位场效应管复位场效应管TR过程描述：过程描述：1. CCD信号电荷向右转移到最后一信号电荷向右转移到最后一级转移电极级转移电极CR2 ；2. CR2电压由高变低，势阱抬高，信号电荷通过输出栅电压由高变低，势阱抬高，信号电荷通过输出栅OG下的下的势阱进入反向偏置的二极管中。在输出二极管反向偏置电路上势阱进入
27、反向偏置的二极管中。在输出二极管反向偏置电路上产生电流产生电流ID ；3. 电流电流ID造成造成A点电位发生变化，检测点电位发生变化，检测A点电位，可得到注入输点电位，可得到注入输出二极管中的电荷量出二极管中的电荷量 输出电流输出电流Id与注入到二极管中的电荷量与注入到二极管中的电荷量QS成正比例关系。且成正比例关系。且QS越大，越大，Id越大，从而越大，从而A点电位就越低。点电位就越低。 隔直电容只将隔直电容只将A点的电位变化取出，然后通过放大器输出。点的电位变化取出，然后通过放大器输出。复位场效应管复位场效应管TR其作用：其作用：迅速排空检测二极管的深迅速排空检测二极管的深势阱中的剩余电荷
28、，即对势阱中的剩余电荷，即对深势阱进行复位，从而避深势阱进行复位，从而避免前后两个电荷包重叠，免前后两个电荷包重叠，为下一个信号电荷的检测为下一个信号电荷的检测做准备。做准备。过过程程：在在复复位位脉脉冲冲RS作作用用下下，TR导导通通，导导通通电电阻阻远远小小于于偏偏置置电电阻阻R，检测二极管中的剩余电荷从这流走，恢复，检测二极管中的剩余电荷从这流走，恢复A点高电位。点高电位。1、电荷转移效率电荷转移效率和电荷转移损失率和电荷转移损失率 CCD工作时电荷从一个电极经多次耦合转移到最后电极并工作时电荷从一个电极经多次耦合转移到最后电极并输出，如果每次转移都会损失一部分信号电荷，会怎样？输出，如
29、果每次转移都会损失一部分信号电荷，会怎样？电荷转移损失率：电荷转移损失率： 电荷转移效率电荷转移效率与损失率的关系：与损失率的关系： 六、六、CCD的特性参数的特性参数电荷耦合器件的电荷耦合器件的转转移移效效率率：一一次次转转移移后后到到达达下下一一个个势势阱阱中中的的电电荷荷量量与与原原来来势势阱阱中的电荷量中的电荷量之比。之比。表征表征CCD性能好坏的重要参数性能好坏的重要参数起始时刻电极下电荷量为起始时刻电极下电荷量为Q(0)时刻时刻t该电极下电荷量为该电极下电荷量为Q(t)起始电荷量为起始电荷量为Q(0)，n次转移后次转移后输出的电荷量为输出的电荷量为Q(0)n。若若=0.99, 24
30、次转移后剩下次转移后剩下79%，1024次后仅剩下次后仅剩下3.4%。提高转移效率提高转移效率 是电荷耦合器件能否实用的关键。是电荷耦合器件能否实用的关键。一般一般常为常为0.999 995以上。以上。怎么提高转移效率呢？怎么提高转移效率呢？分析电荷损失原因分析电荷损失原因：界面态对信号电荷的俘获：界面态对信号电荷的俘获解决方法：解决方法：采用采用“胖胖0”工作模式工作模式（在（在CCD中利用电注入的方式中利用电注入的方式在转移沟道中注入在转移沟道中注入胖胖0电荷电荷）。即让）。即让0信号也有一定的电荷。信号也有一定的电荷。“胖胖0” 缺点：缺点： “胖胖0”电荷分量越大，电荷分量越大，CCD
31、输出输出暗电流也越大，并且不能通过降低暗电流也越大，并且不能通过降低器件温度来减小。器件温度来减小。损损失失率率胖胖0电荷电荷相同驱动频率相同驱动频率,“胖胖0” 多多,损失率低；损失率低；相同相同 “胖胖0” , 频率低频率低,损失率低损失率低;2、驱动频率、驱动频率 驱动频率：驱动频率：加在转移栅上的脉冲频率，如加在转移栅上的脉冲频率，如CR1或或CR2的频率。的频率。 1）驱动频率的下限）驱动频率的下限 限制来源：限制来源：为避免热激发少数载流子的干扰，要求电荷从一为避免热激发少数载流子的干扰，要求电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间个电极转移到另一个电极所用的时间 t 必须小于少数
32、载流子的必须小于少数载流子的平均寿命为平均寿命为i 。载流子平均寿命与温度有关，温度高寿命短。载流子平均寿命与温度有关，温度高寿命短。三相三相CCD：2）驱动频率的上限驱动频率的上限限制来源：限制来源：为保证信号电荷能够跟上驱动变化，否则转为保证信号电荷能够跟上驱动变化，否则转移效率大大下降。因此，要求转移时间移效率大大下降。因此，要求转移时间 t 要大于电荷从一要大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为个电极转移到另一个电极的固有时间为g 。 对于相同结构设计的对于相同结构设计的n沟道（沟道（P型衬底）型衬底）CCD比比p沟道沟道CCD的工作频率高。的工作频率高。 图示为：三相多晶硅图
33、示为：三相多晶硅n型表面沟道（型表面沟道（SCCD）的实测驱动）的实测驱动脉冲频率与电荷转移损失率脉冲频率与电荷转移损失率之间的关系曲线。之间的关系曲线。由曲线可以看出，表面沟道由曲线可以看出，表面沟道CCD驱动脉冲频率的上限为驱动脉冲频率的上限为10MHz，高于，高于10MHz以后，以后，CCD的转移损失率将急骤增加。的转移损失率将急骤增加。 体体沟沟道道CCD的的驱驱动动频频率率要要高高一一些些，目目前前，最最高高驱驱动动频频率率已已经经达达到到240MHz。这这对对CCD在在高高速速成成像像系系统统中的应用很重要。中的应用很重要。10-110-210-3*10-4七、电荷耦合七、电荷耦合
34、摄像摄像器件器件 ICCDCCD在摄像领域的应用在摄像领域的应用（一）工作原理（一）工作原理 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件( ICCD): 用于摄像或像敏的用于摄像或像敏的CCD; ICCD功能：把光学图像信号转变成一维以时间为自变量的功能：把光学图像信号转变成一维以时间为自变量的 视频输出信号。视频输出信号。p线阵线阵CCD: 可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵CCD获得二维图像获得二维图像信号，必须使线阵信号，必须使线阵CCD与二维图像作相对的扫描运动，所以
35、用与二维图像作相对的扫描运动，所以用线阵线阵CCD对对匀速运动物体进行扫描成像匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。是非常方便的。 应用：扫描仪、传真机、应用：扫描仪、传真机、航空图像扫描系统航空图像扫描系统p面阵面阵CCD: 二维的图像传感器，可以直接将二维图像转变为视二维的图像传感器，可以直接将二维图像转变为视频信号输出。频信号输出。1、线型、线型CCD摄像器件的两种基本形式摄像器件的两种基本形式 (1) 单沟道单沟道线阵线阵 ICCD转移次数较多转移次数较多, ,效率低，适用效率低，适用于像元数较少于像元数较少的摄像器件。的摄像器件。 光敏单元光敏单元(像素像素)转移栅极转移栅极CCD的
36、的1个单元个单元沟阻沟阻组成组成: 光敏阵列光敏阵列+ 转移栅转移栅+CCD模拟移位寄存器模拟移位寄存器+输出放大器。输出放大器。光敏阵列：光敏阵列：由光栅控制的由光栅控制的MOS光积分电容或光积分电容或PN结光电二极管结光电二极管;光敏阵列与光敏阵列与CCD之间通过转移栅相连，既可以隔离二者，又可之间通过转移栅相连，既可以隔离二者，又可以沟通二者。以沟通二者。单沟道线阵单沟道线阵 ICCD工作过程描述：工作过程描述：光敏单元(像素)转移栅极CCD的1个单元光注入光注入转移转移移位移位输出输出光光积积分分时时间间光敏阵列与光敏阵列与CCD之间通过转移栅隔离时（转移控制栅接低电之间通过转移栅隔离
37、时（转移控制栅接低电平）平）,光敏阵列进行光敏阵列进行光注入光注入(积分积分),光敏单元不断积累电荷；光敏单元不断积累电荷；转移栅变为高电平时，光敏区所累积的信号电荷将通过转移转移栅变为高电平时，光敏区所累积的信号电荷将通过转移栅栅转移转移到到CCD模拟移位寄存器中。模拟移位寄存器中。在光积分时间期间（控制栅接低电平时），在光积分时间期间（控制栅接低电平时），CCD模拟模拟移位移位寄寄存器在三相交叠脉冲作用下，将信号电荷一位位移出器件，存器在三相交叠脉冲作用下，将信号电荷一位位移出器件，并经过并经过输出输出放大器形成时序信号。放大器形成时序信号。(2) 双沟道线阵双沟道线阵 ICCD在光敏阵列
38、两侧各有一列在光敏阵列两侧各有一列CCD模拟移位寄存器和一个转移栅模拟移位寄存器和一个转移栅缺点：由于奇偶信号电荷分别通过两个模拟移位寄存器和两个缺点：由于奇偶信号电荷分别通过两个模拟移位寄存器和两个 输出放大器输出，导致输出的输出放大器输出，导致输出的奇偶信号不均匀奇偶信号不均匀。优点优点:同样的像敏单元，同样的像敏单元，双沟道比单沟道双沟道比单沟道线阵线阵CCD的转移的转移时间缩短一半，时间缩短一半，因此因此转移效率提转移效率提高高。2、面阵、面阵CCD 分类分类(按照排列方式按照排列方式)：帧帧转移方式转移方式隔列隔列转移方式转移方式线线转移方式转移方式 按照一定的方式将一维线阵按照一定
39、的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵排列成二维阵列，即可构成二维面阵CCD。(1) 帧转移面阵帧转移面阵CCD 像敏区由并行排列的像敏区由并行排列的若干个电荷耦合沟道组若干个电荷耦合沟道组成成, 沟道之间用沟阻隔开沟道之间用沟阻隔开,水平电极横贯各沟道；水平电极横贯各沟道； 暂存区的结构及单元暂存区的结构及单元数和像敏区完全相同；数和像敏区完全相同； 暂存区和行读出寄存暂存区和行读出寄存器均用金属铝遮蔽。器均用金属铝遮蔽。光敏单元(像素)(3排电极)帧转移三相面阵帧转移三相面阵CCD 组成：组成：1.像敏区像敏区2.信号电荷暂存区信
40、号电荷暂存区3.水平读出寄存器水平读出寄存器光敏单元(像素)(3排电极)帧转移面阵帧转移面阵CCD 工作过程（配合电视制式）：工作过程（配合电视制式）： 场正程：场正程：像敏区光积分像敏区光积分并存储信号电荷；并存储信号电荷；场逆程：场逆程：像敏区信号像敏区信号电荷并行转移到暂存区；电荷并行转移到暂存区；下一个场正程：下一个场正程：行逆程：行逆程：最下面一行最下面一行信号电荷转移到行读出寄信号电荷转移到行读出寄存器中存器中,暂存区下移一行；暂存区下移一行；行正程：行正程：水平读出寄水平读出寄存器输出一行视频信号；存器输出一行视频信号； 信号电荷的转移依赖信号电荷的转移依赖相应的驱动时钟。相应的
41、驱动时钟。思考题：思考题：1.光积分期间光积分期间,转移栅的电压是高电位还是低电位转移栅的电压是高电位还是低电位?为什么？为什么？答案：低电平。答案：低电平。2.光积分时，光生电荷在三个电极中哪个下面的势阱中？光积分时，光生电荷在三个电极中哪个下面的势阱中？答案：三个电极中加高电平的电极下。答案：三个电极中加高电平的电极下。3.场逆程时，是由图中哪些脉冲驱动完成帧的转移的？场逆程时，是由图中哪些脉冲驱动完成帧的转移的？答案：答案：ICR1/2/3 和和 SCR1/2/3 共六组电极。共六组电极。4.行正程期间，暂存区的电位变化吗？为什么？行正程期间，暂存区的电位变化吗？为什么？答案：不变化。原
42、因同答案：不变化。原因同1。光敏单元(像素)(3排电极)帧转移面阵帧转移面阵CCD的优缺点的优缺点: 优点：优点：结构简单，光敏单结构简单，光敏单元的尺寸可以很小，传元的尺寸可以很小，传递函数递函数MTF较高；较高；缺点：缺点：光敏面积所占总面光敏面积所占总面积的比例小。积的比例小。(2) 隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCD 以以两相驱动两相驱动的面阵的面阵CCD为例：为例：工作时序类似帧转移型工作时序类似帧转移型像敏单元转移控制栅读出寄存器沟阻(2) 隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCD (3)线转移型面阵线转移型面阵CCD 线寻址电路线寻址电路 垂直输出寄存器垂直输出寄存器 驱动脉冲驱动脉冲
43、 优点：优点：有效光敏面积大，转有效光敏面积大，转移速度快，效率高。移速度快，效率高。不足：不足：电路比较复杂；电路比较复杂； 特点：特点：取消了存储区，多了线寻址电路。取消了存储区，多了线寻址电路。根根据据不不同同寻寻求求，线线寻寻址址电电路路发发出出不不同同的的地地址址选选取取信信号号后后，相相应应行行一一位位位位输输出出。从从而而非非常常方方便便选选择择扫扫描描方方式式，实实现现逐逐行行或或隔隔行行扫扫描；还可以工作在线阵描；还可以工作在线阵CCD的状态的状态中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 下面通过类比说明 CCD 收集、转移和测量电荷的过程。小盆虹吸泵雨水量筒CCD的工作过程类
44、比说明中国科学院长春光学精密机械与物理研究所每个小盆接到的雨水数量不同类比中，雨滴表示光子；收集的雨水表示CCD探测的电荷;小盆表示像元，小盆的深度表示每个像元可以容纳多少电荷；虹吸泵表示CCD的移位寄存器；雨水量筒表示CCD的输出放大器。CCD的工作过程类比说明中国科学院长春光学精密机械与物理研究所先将雨水向左移动首先，最左边一行接雨水的小盆将所接的雨水通过虹吸泵转移到与雨水量筒排成一排的一行小盆（读出寄存器)中。为了测量每个小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵将每个小盆中的雨水向雨水量筒转移。CCD的工作过程类比说明中国科学院长春光学精密机械与物理研究所倒空量筒然后将最靠近量筒小盆中的雨水通过
45、虹吸泵导入量筒中测量它的数量。每次测量完成以后，都要将量筒倒空，准备下一次测量。图示的状态是一次测量后的状态。CCD的工作过程类比说明中国科学院长春光学精密机械与物理研究所又一次测量结束。倒空量筒CCD的工作过程类比说明中国科学院长春光学精密机械与物理研究所倒空量筒一行电荷测量结束。CCD的工作过程类比说明中国科学院长春光学精密机械与物理研究所重复上述转移测量的过程，直到所有小盆中雨水的数量都测量完毕。准备好进行下一次开始接雨水（曝光）。CCD的工作过程类比说明1、光电转换特性、光电转换特性 存储于存储于CCD的像敏单元中信号电荷包是由入射光子被硅衬底材的像敏单元中信号电荷包是由入射光子被硅衬
46、底材料吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，具有良料吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，具有良好的光电转换特性。它的光电转换因子好的光电转换特性。它的光电转换因子可达到可达到99.7%以上。以上。2、光谱响应、光谱响应 （二）（二）ICCD的基本特性参数的基本特性参数线性关系线性关系（三）（三）ICCD的动态范围的动态范围 1、势阱可存储的最大信号电荷量、势阱可存储的最大信号电荷量 取取决决于于CCD的的电电极极面面积积、器器件件结结构构、时时钟钟驱驱动动方方式式、驱驱动脉冲电压幅度等。动脉冲电压幅度等。 2、噪声、噪声来源：电荷注入、转移、检测复位来源：电荷注入、转移、
47、检测复位 噪声的度量方法：用等效电子数表示；噪声的度量方法：用等效电子数表示；（1 1）光子噪声）光子噪声 （2 2）电流噪声）电流噪声 （3 3）胖零噪声）胖零噪声（4 4）浮获噪声）浮获噪声（5 5）输出噪声）输出噪声动态范围定义动态范围定义：像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量：像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量 和噪声决定的最小电荷量之比。和噪声决定的最小电荷量之比。（四）（四）ICCD的暗电流及产生原因的暗电流及产生原因 1、耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁、耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁 2、少数载流子在中性体内的扩散、少数载流子在中性体内的扩散 3、Si-SiO2
48、界面引起的暗电流界面引起的暗电流 (A/cm) In=10-3sNss 暗暗电电流流是是大大多多数数摄摄像像器器件件共共有有的的特特征征，是是判判断断摄摄像像器器件件好好坏坏的重要标准。即使没有光照或者其他电荷注入时的重要标准。即使没有光照或者其他电荷注入时,仍然会存在。仍然会存在。 载流子浓度、寿命，耗尽区宽度（五）（五）ICCD的分辨率的分辨率 MTF或像元数或像元数 几种面阵几种面阵CCD的参数的参数本讲小结本讲小结（重点考核内容）（重点考核内容）掌握掌握ICCD工作过程工作过程：光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷检测光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷检测MOS电容器存储信号电荷的原理电
49、容器存储信号电荷的原理电荷耦合的原理电荷耦合的原理（理解驱动脉冲和电极配合达到目的的过程）（理解驱动脉冲和电极配合达到目的的过程）CCD电极结构的基本要求电极结构的基本要求及并了解几种典型的电极结构及并了解几种典型的电极结构电荷的注入及电荷的注入及电荷的检测电荷的检测（理解检测电路构造及工作过程）（理解检测电路构造及工作过程）CCD的特性参数：的特性参数：转移效率转移效率（提高方式）（提高方式）和驱动频率上下限和驱动频率上下限ICCD的工作原理及分类（线阵和面阵）的工作原理及分类（线阵和面阵）掌握线阵及面阵掌握线阵及面阵CCD的结构组成，并理解工作过程；的结构组成，并理解工作过程；了解了解IC
50、CD的基本特性参数、动态范围、暗电流、分辨率的基本特性参数、动态范围、暗电流、分辨率本章课后习题会做（下页本章课后习题会做（下页PPT）进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨
51、叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？你看热的，跑什么
52、？”此时这把蒲扇，此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅长的时间隧道，袅结束
