05-CCD基本工作原理

1、教学进度 图像传感器的概述图像传感器的概述 光电技术基础光电技术基础 光源光源 CCD图像传感器基本工作原理图像传感器基本工作原理 典型面阵典型面阵ICCD 视频信号处理及视频信号处理及 计算机数据采集计算机数据采集 图像传感器的典型应用图像传感器的典型应用 典型线阵典型线阵ICCD 图像传感器基本原理及电视制式图像传感器基本原理及电视制式 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

2、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管 FD放大器放大器 CCD CCD的工作过程的工作过程 1 前照明光输入 1 背照明光输入 2 电荷生成 3 电荷收集 4 电荷转移 5 电荷测量 视频输出 p 电荷存储电荷存储 p 电荷耦合电荷耦合 p CCD电极结构电极结构 p 电荷注入和电荷注入和检测检测 p

3、 CCD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

4、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 为了存储电荷必须制造一个存储区。不仅要把生成为了存储电荷必须制造一个存储区。不仅要把生成 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是由若干是由若干MOS单元组成，它具有存单元组成，它具有存 储和转移信息的能力，故又称为储和转移信息的能力，故又称为动态移位动态移位 寄存器寄存器。 MOS电容器有二种类型电容器有二种类型：表面沟道和掩：表面沟道和掩 埋沟道。埋沟道

5、。 这二种类型这二种类型MOS电容器的制造只电容器的制造只 有些许不同；然而，由于埋沟电容结构具有些许不同；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。事实上制造工艺的首选。事实上今天制造的今天制造的 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

6、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。 半导体作为底电极，称为半导体作为底电极，称为“衬底衬底”。衬底分为。衬底分为 P型硅衬底和型硅衬底和 N型硅衬底，它对应不同的沟道形式，型硅衬底，它对应不同的沟道形式，由于电子迁移率高，所由于电子迁移率高，所 以，大多数以，大多数 CCD选用选用 P型硅衬底。型硅衬底。 当在栅电极上加上当在栅电极上加上 UG 0的小电压时，的小电压时， P 型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的型衬底中的空穴从界面处被排斥到

7、衬底的 另一侧，在另一侧，在Si表面处只留下一层不能移动表面处只留下一层不能移动 的受主离子，这种状态称为的受主离子，这种状态称为多数载流子多数载流子 “耗尽状态耗尽状态”，形成图中的充电区域，形成图中的充电区域(空间空间 电荷区电荷区)称作称作耗尽区耗尽区。（相当于。（相当于 MOS电容电容 器充负电）器充负电） UG为零时，为零时， Si表面没有电场的作表面没有电场的作 用，其多数载流子浓度与体内一样。用，其多数载流子浓度与体内一样。 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。 正电压正电压 UG进一多增加，当进一多增加，当 UG超过某一阈值超

8、过某一阈值 Uth时，将使得半导体体内的电子（少数载流子）时，将使得半导体体内的电子（少数载流子） 被吸引到半导体表面附近，形成一层极薄（厚被吸引到半导体表面附近，形成一层极薄（厚 度约度约10nm）但电荷浓度很高的）但电荷浓度很高的反型层反型层。这种情。这种情 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） 反型层电荷的存在表明反型层电荷的存在表明MOS结构存储电荷结构存储电荷 的功能。的功能。 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

9、关度有关 s 不同氧化层厚度不同氧化层厚度 不存在反型层电荷时不存在反型层电荷时 势阱：势阱：由表面势产生的阱由表面势产生的阱 状空间。状空间。有的定义为：存有的定义为：存 储电荷的电势分布状态。储电荷的电势分布状态。 电极上的电压越大，势阱电极上的电压越大，势阱 越深，可存储的电荷量越越深，可存储的电荷量越 多，也就代表了多，也就代表了CCD器件器件 具有电荷存储功能。具有电荷存储功能。 理论分析参见半导体物理理论分析参见半导体物理 栅极电压不变时，表面势与反型层电荷密度的关系：栅极电压不变时，表面势与反型层电荷密度的关系： 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

10、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。 qE p 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

11、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 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

12、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。 n p 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

13、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

14、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

15、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 1 2 3 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

16、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 3 1 0 0 1 0 0 1 0 0 t1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 t2 0 1 0 0 1 0 0 1 0 t3 0 1 1 0 1 1 0 1 1 t4 0 0 1 0 0 1 0 0 1 t5 1 0 1 1 0 1 1 0 1 t6 1 0 0 1 0 0 1 0 0 t7 TT 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。

17、 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 要求信号电荷从左到右在要求信号电荷从左到右在CCD中定向移动。中定向移动。 波形分析：波形分析：根据驱动波形知道驱动脉冲的占空比根据驱动波形知道驱动脉冲的占空比 为多少？驱动脉冲时序上的关系为多少？驱动脉冲时序上的关系 （2 比比1延迟多长延迟多长 时间）？时间）？ 驱动电路：驱动电路：相应的时序电路如何设计？相应的时序电路如何设计？ 从上到下依次为 1 2 3 4 说明：说明： CCD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。

18、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。对于普决定。对于普 通结构的通结构的 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（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

19、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) 采用对称电极结构，采用对称电极结构，三相三相 CCD是最简单的电极结构是最简单的电极结构。 因为在某一确定的时刻，对存贮有电荷的电极而

20、言，因为在某一确定的时刻，对存贮有电荷的电极而言， 两个相邻电极，需要一个被两个相邻电极，需要一个被“打打”开，另一个保持开，另一个保持 “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 在轻掺杂的硅衬底上先生成一层在轻掺杂的硅衬底上先生成一层0.1m的的 SiO2，而后在，而后在 SiO2上蒸发一层铝，采用光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。 结构

21、存在明显的缺点：结构存在明显的缺点：电极间隙处电极间隙处 SiO2表面裸露在周围气表面裸露在周围气 氛中，有可能沾污氛中，有可能沾污 SiO2表面，造成表面，造成表面势不稳定表面势不稳定，影响转移，影响转移 效率。效率。 （2 2） 三相电阻海结构三相电阻海结构 为得到封闭的电极结构，采用的方法之一就是为得到封闭的电极结构，采用的方法之一就是引用硅栅结构引用硅栅结构。 在氧化物层上沉积一层多晶硅，然后按要求对电极区域选择掺在氧化物层上沉积一层多晶硅，然后按要求对电极区域选择掺 杂杂(硼或磷硼或磷)，形成图中的低阻多晶电极，电极间互连和焊接区，形成图中的低阻多晶电极，电极间互连和焊接区 采用蒸铝

22、来实现。采用蒸铝来实现。 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； 缺点：缺点：由于光刻和多晶硅定域掺杂由于光刻和多晶硅定域掺杂难以保证电极间高阻区很窄难以保证电极间高阻区很窄， 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。 三相交叠电极可以是多晶硅，也可以是铝金属，或三相交叠电极可以是多晶硅，也可以

23、是铝金属，或 者两种混用。者两种混用。 （3 3） 三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构 三相交叠硅栅的形成工艺三相交叠硅栅的形成工艺：先在硅表面生成一层高：先在硅表面生成一层高 质量的氧化物（栅氧），跟着沉积一层多晶硅，掺杂质量的氧化物（栅氧），跟着沉积一层多晶硅，掺杂 后按规定图案光刻出第一组电极；而后再进行热氧化，后按规定图案光刻出第一组电极；而后再进行热氧化， 形成一层氧化物，再沉积多晶硅、掺杂，第二次光刻形成一层氧化物，再沉积多晶硅、掺杂，第二次光刻 出第二组电极；第三组电极形成方法与第二组电极相出第二组电极；第三组电极形成方法与第二组电极相 同。同。 2、 二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝

24、交叠栅结构 为使为使 CCD能在能在二相时钟脉冲驱动二相时钟脉冲驱动下工作，电极本身必须设计成下工作，电极本身必须设计成 不对称性，在这种不对称性，在这种不对称电极下产生体内势垒不对称电极下产生体内势垒，即由电极本身保，即由电极本身保 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 四相四相 C

25、CD工作状态与三相器件、二相器件相比，较为工作状态与三相器件、二相器件相比，较为适合于适合于 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） 前面讲的前面讲的CCD，信号电荷是贴近氧化层界面的衬底内转移。，信号电荷是贴近氧化层界面的衬底内转移。 表面表面 CCD存在如电荷转移速度和转移效率低等问题存在如电荷转移速度和转移效率低等问题。其主要原。其主要原 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。

26、设法设法将信号的转移沟道移到半导体体内将信号的转移沟道移到半导体体内，即通过对转移沟道，即通过对转移沟道 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

27、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式背面照射式 Qin =qANeotc 2、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。 1 电压注入法结构 模拟 输入 信号 IG:输入栅极；输入栅极；当当CR2为高电平时，为高电平时， 可将可将ID极看成极看成MOS晶体管的源极，晶体管的源极， 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

28、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： 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

29、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 上产生电流上产生电流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

30、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，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。 过程过程：在复位脉冲：在复位脉冲RS作用下，作用下，TR导通，导通电阻远小于导通，导通电阻远小于偏置电偏置电 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。 )0( )( 1 )0( )()0( Q tQ Q t

31、QQ 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，如果每次转移都会损失一部分信号电荷，会怎样？ )0( )( Q tQ 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： 1 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 转移效率：转移效率：一次转移一次转移后后到达下一个势阱中的电荷量到达下一个势阱中的电荷量与与原来势原来势 阱中的电荷量阱中的电荷量之比。之比。表

32、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

33、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输输 出暗电流也越大，并且不能通过降出暗电流也越大，并且不能通过降 低器件温度来减小。低器件温度来减小。 损失率损失率 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

34、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。 g 3 1 f i 3 1 f三相三相CCD： f T t 3 1 3 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

35、，否则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，要求转移时间转移效率大大下降。因此，要求转移时间 t 要大于电荷从要大于电荷从 一个电极转移到另一个电极的固有时间为一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

36、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。 体沟道体沟道CCD的驱动频率的驱动频率 要高一些，目前，最高驱要高一些，目前，最高驱 动频率已经达到动频率已经达到240MHz。 这对这对CCD在高速成像系统在高速成像系统 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：

37、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

38、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

39、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 光积分时间光积分时间 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

40、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。 单沟道线阵单沟道线阵 ICCD工作过程描述：工作过程描述： 当入射光照射在光敏元件阵列上当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时梳状电极施加高电压时,光敏元光敏元 件聚集光电荷件

41、聚集光电荷,进行光积分进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。光电荷与光照强度和光积分时间成正比。 在光积分时间结束时在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高(平时低电压平时低电压),与与CCD对对 应的电极也同时处于高电压状态。然后应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光降低梳状电极电压，各光 敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移 完毕完毕,转移栅电压降低转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备准备 下一次光积分周期。同时下一次光

42、积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲, 将存储的电荷从将存储的电荷从CCD中转移中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行由输出端输出。这个过程重复地进行 就得到相继的行输出就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。从而读出电荷图形。 转移栅转移栅 光积分单元光积分单元 不透光的电荷转移结构不透光的电荷转移结构 输出输出 单沟道线阵单沟道线阵 ICCD： (2) 双沟道线阵双沟道线阵 ICCD 在光敏阵列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

43、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

44、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

45、 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。相应的驱动时钟。 思考题：思考题： 光积分期间光积分期间,转移栅的电压是高电位还是低

46、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。 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。 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。 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

47、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 优点：优点： 有效光敏面积大，转有效光敏面积大，转

48、 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。 根据不同寻求，线寻址电路发出不同的地址选取信号后，根据不同寻求，线寻址电路发出不同的地址选取信号后， 相应行一位位输出。从而相应行一位位输出。从而非常方便选择扫描方式非常方便选择扫描方式，实现逐行或隔，实现逐行或隔 行扫描；还可以工作在线阵行扫描；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的工作过程类比说明 中国科学院

49、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

50、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 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的像敏单元中信号电荷包是由入射光子被硅衬底 材料吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，具有材料吸收，并被