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CCD成像技术及其在遥感中的应用第二章CCD工作原理 郝志航 内容 CCD工作过程电荷的生成电荷的收集电荷包的转移电荷包的测量CCD与CMOS比较小结 参考书1 电荷耦合器件原理与应用 王以铭科学出版社1987年2 CCDArraysCamerasandDisplays GeraldC HolstSPIE1998 CCD的工作过程 此图摘自JamesJanesick DuelingDetectors CCD的性能很大程度上是由电荷图像的生成决定的 CCD电荷图像的生成是CCD工作最重要的过程之一 电荷的生成 CCD电荷图像的生成过程就是光电转换的过程 CCD电荷图像的生成机理是半导体的光电效应 CCD电荷图像的生成理论是固体物理的能带理论 硅和锗都是金刚石晶格结构 半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格 每个原子被四个最邻近的原子所包围 每个原子在外围轨道有四个电子 分别与周围4个原子共用4对电子 这种共用电子对的结构称为共价键 每个电子对组成一个共价键 组成共价键的电子称为价电子 价电子通常位于价带 不能导电 电荷的生成能带理论复习 硅的能级图 共价键示意图 通过加热或光照 处于价带的电子可以被激发到导带 把电子由价带激发到导带所需的能量要超过价带与导带之间的能隙Eg 硅的Eg 1 12eV 砷化镓的Eg 1 42eV photon photon 电荷的生成能带理论复习 电荷的生成 如果一个入射光子的能量 Eph 大于或等于这种材料导带与价带之间的能隙 Eg 就可以把一个电子激发到导带而成为自由电子 用公式表示如下 其中h为普朗克常数 为频率 为波长 c是光速 2 1 2 2 电荷的生成 光电效应中有一个临界波长 定义为 当时 光子没有足够的能量将电子由价带激发到导带 这时光子只是穿过这个材料 对于本征 intrinsic 硅有 这是CCD长波限制 短波如何 2 3 电荷的生成能带理论复习 电子一旦被激发到导带 它就可以在单晶硅的晶格附近自由运动了 电子离开后所形成的空穴成为一个带正电的载流子 在没有外电场的情况下 这样的一对电子和空穴会在一定时间 复合寿命 内将复合并湮灭 在CCD中 利用一个电场把这些载流子收集起来 防止他们的复合 如何收集电荷 电荷的生成有关参数 与CCD电荷生成过程有关的参数是量子效率 QE 和暗电流 影响QE的因素有吸收 absorption 反射 reflection 和穿越 transmission 等 影响暗电流的因素主要是温度 电荷的生成 理想情况下 电极材料应该是完全透明的 实际上这些材料对光都有一些吸收和反射 如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射 减少了最终到达硅片的光子数量 如图中 1和 2所表示的情况 x 吸收y 复合 材料的吸收系数和反射率与波长有关 在可见光波段 波长越短吸收系数和反射率越大 图中光线的颜色只是示意 不代表光谱 CCD短波限制与结构及材料有关 厚型前照明CCD 光在表面电极产生反射和吸收 使这种CCD的量子效率比较低 对蓝光的响应非常差 其电极结构不容许采用提高性能的增透膜技术 增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用 电荷的生成降低反射 硅片减薄到15 m左右 光线由背面射入 避免了电极对光线的阻挡 可以得到很高的量子效率 由于可以在硅表面制作减反膜 短波响应将得到很大提高 薄型背照明CCD 电荷的生成降低反射 薄型CCD对近红外光线几乎透明 因此长波响应很差 空气或真空的折射率为1 0 硅为3 6 利用上述方程式可以得出在空气中硅的反射率是32 除非采取适当的措施消除这种反射 否则硅CCD只能探测到2 3的入射光子 增透膜可以解决这个问题 硅的折射率 ns 很高 很多入射光子会在其表面反射 在两种不同折射率物质的界面上光子的反射率为 2 电荷的生成降低反射 空气 硅 加入增透膜以后 有三种介质需要考虑 nsxni nt 2 nsxni nt 2 2 反射率降为 电荷的生成降低反射 右图是EEV42 80CCD的反射率曲线 这种薄型CCD是专为提高蓝光谱响应设计的 其增透膜最佳工作波长为400nm 在400nm反射率下降到左右1 电荷的生成降低反射 提高量子效率最有效的方法是背照明 电荷的生成 深蓝光 400nm 穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为0 2 m见图中的 3 x 吸收y 复合 图中光线的颜色只是示意 不代表光谱 电荷的生成 红光 650nm 穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为3 33 m 激发出的电子在收集区外生成 复合寿命长 热扩散使这些电子被收集 见图中的 5 x 吸收y 复合 图中光线的颜色只是示意 不代表光谱 电荷的生成 CCD硅表面下几个 m范围内晶格没有缺欠 也没有氧化物沉积 这个区域内有很高的复合寿命 但是在硅衬底的其他部分 以及表面处 存在着大量的晶体缺欠 因此复合寿命非常低 波长长的光线在衬底中生成电子的位置很深 那里的复合寿命很低 很容易复合 图中 6表示的就是这种情况 x 吸收y 复合 图中光线的颜色只是示意 不代表光谱 电荷的生成 红外光 1250nm 波长超过临界波长 不能激发光电子 见图中的 7 x 吸收y 复合 图中光线的颜色只是示意 不代表光谱 电荷的生成FoveonX3Sensors 电荷的生成FoveonX3Sensors TheFoveonX3Sensor TheBayer filterImageSensor 电荷的生成 可以用量子效率计算响应度 响应度的单位是A W或 计算公式如下 其中 是电子电荷 是量子效率 是像元有效面积 2 4 2 5 电荷的生成 CCD的量子效率QE是波长的函数TH7834响应曲线 电荷的生成 各种不同CCD的量子效率的比较 思考 CCD的窗口玻璃影响性能吗 为什么 电荷的收集 CCD工作过程的第二步是电荷的收集 是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程 为了收集电荷 必须制造一个收集区 不仅要把生成的电荷尽量收集起来 而且保证所收集的电荷不被复合 收集区 势阱 电荷的收集MOS电容器 MOS电容器是所有MOS 金属 氧化物 半导体 结构中最简单的 它是CCD的构成基础 弄清楚这种结构的原理对理解CCD的工作原理是非常有用的 MOS电容器有二种类型 表面沟道和埋沟 这二种类型MOS电容器的制造只有些微地不同 然而 由于埋沟电容结构具有很多显著的优点 因此这种结构成了CCD制造工艺的首选 事实上今天制造的所有CCD几乎都利用埋沟结构 电荷的收集MOS电容器 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 1 m厚 然后 生长出一层薄的二氧化硅 0 1 m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 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 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 SiO2 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 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界由沟阻确定 电荷的收集MOS电容器 电势 电势 势能 势能 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 电荷的收集MOS电容器 实际的埋沟结构埋沟结构的两边各有一个比较厚 0 5 1 5 m 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MOS电容器 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MOS电容器 像元边界 电荷包 SiO2绝缘层 电极结构 像元边界 入射的光子 光子入射到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 电荷收集的效率与电势的分布 复合寿命和扩散长度有关 电荷的收集 复合寿命由光子激发出的电子在重新跃迁回价带 与空穴复合 之前可以在硅晶格内活动的时间是有限的 这个过程的时间常数称为复合寿命 其大小取决于硅的质量和掺杂的浓度 越长 信号电子被收集的可能性就越大 量子效率就越高 电荷的收集 扩散长度 为了使CCD中电子能够通过扩散和漂移到达指定的收集区 可以通过特定的掺杂分布和电场分布设计来达到 这种设计的结果将提高探测器的量子效率 扩散长度表示光生电子复合前移动的平均距离 当电子是在复合寿命很长的区域内生成 但是它必须移动到指定的收集区去时 这个电子是否能够被收集取决于它向制定区域运动的机制 电荷的转移 CCD工作过程的第三步是电荷包的转移 是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元 直到全部电荷包输出完成的过程 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的工作过程类比说明 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 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 倒空量筒 然后将最靠近量筒小盆中的雨水通过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 又一次测量结束 倒空量筒 CCD的工作过程类比说明 倒空量筒 一行电荷测量结束 CCD的工作过程类比说明 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 在由一个小盆 像元 将水 电荷包 转移到下一个小盆 像元 的过程中 总是有一些损失 描述这个损失的参数称为电荷转移效率 CTE 定义为一次转移中正确转移电荷的百分比 电荷的转移转移效率 在上述类比中 最远的一个小盆的水转移了6次 如果 0 99 那末这盆水输出时 剩下原来水量的94 如果转移100次 就剩下原来水量的37 了 2 7 在串行寄存器中的电极每隔3个连在一起 电荷的转移三相CCD 一个像元 沟阻 定义了图像区的列 透明水平电极 在垂直方向上定义了像元 该电极用于转移电荷 每相隔3个的电极通过芯片边缘的总线连接在一起 平面图 截面图 图示为CCD成像区的一小部分 几个像元 图像区中这个图案是重复的 电荷的转移三相CCD 电荷的转移三相CCD 三相CCD的电荷包转移过程 CCD中实现电荷包转移的实际过程 电荷包的转移是通过变换CCD电极电压来完成的 下列图中 标注红色的电极为高电势 标注黑色的电极为低电势 电荷的转移三相CCD 时间滑尺 电荷的转移三相CCD 电荷的转移三相CCD 电荷的转移三相CCD 电荷的转移三相CCD 电荷的转移三相CCD 当第一个电荷包由右边移出时 下一个电荷包由左边移入 电荷的转移三相CCD 电荷的转移三相CCD 电荷的测量 CCD工作过程的第四步是电荷的测量 是将转移到输出级的电荷转换为电压信号的过程 OD OS RD SW 输出节点 衬底 输出FET 复位FET 相加阱 串行寄存器电极 典型CCD片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图 电荷的测量 5V0V 5V 10V0V SW Vout 当电荷包移至串行寄存器的末端时 片内输出节点电容和输出管 放大器 对电荷包进行测量 相加阱起到隔离串行寄存器与输出浮置扩散 FD 的作用 OD OS RD SW 复位FET 相加阱 串行寄存器的末端 Vout 电荷的测量 测量过程由复位开始 复位会把前一个电荷包的电荷清除掉 输出节点 输出FET OD OS RD SW 5V0V 5V 10V0V SW Vout Vout 电荷输送到相加阱 Vout现在是参考电平 在这个期间 外部电路测量参考电平 输出节点 相加阱 串行寄存器的末端 电荷的测量 输出FET 复位FET OD OS RD SW Vout 把电荷输送到输出节点电容 Vout下降到信号电平 串行寄存器的末端 输出节点 相加阱 电荷的测量 输出FET 复位FET 外部电路对Vout进行采样 所采样的Vout电平与输入电荷包中电荷的多少成正比 OD OS RD SW Vout 串行寄存器的末端 输出节点 相加阱 电荷的测量 输出FET 复位FET 电荷的测量 为了进行性能分析 利用等效电路说明 现在CCD输出结构中 相加阱被输出栅代替 作用相同 复位FET用开关等效 输出节点电容用电容等效 该电容的典型值都小于0 1pF 根据V Q C 这个电容的两端将产生与这个电荷包电荷量成比例的电压 也是某个特定像元入射光强度成比例的电压 Vout G Qm Cs2 8 电荷的测量等效电路 Cs 0 1pF一个电子电荷 1 6 V 输出信号 1复位脉冲过冲2参考电平3信号电平 G 输出FET增益 1 0 8 电荷的测量等效电路 CCD信号电平是浮起来的 真正的信号是信号电平与参考电平之差 复位管不是理想开关 存在导通电阻 这个电阻的热噪声在复位时会通过节点电容叠加到信号上输出形成复位噪声 电荷的测量 还有输出管的闪烁 1 f 噪声以及输出电阻的热噪声 一起构成CCD读出噪声 在读出噪声中起主要作用的是复位噪声 复位噪声计算 导通电阻热