光电检测技术7

1、第第7章章 固体成象器件固体成象器件 1969年秋，美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith受磁泡的启示，提出了CCD的概念。CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，中文为 “电荷耦合器件”。 固体成象器件有两大类：一是电荷耦合器件，简称CCD；二是自扫描光电二极管列阵，简称SSPD， SSPD又称MOS图像传感器。 与真空摄像器件相比固体成像器件有以下优点：(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) SSPD的光谱响应范围从0.251.1m；对近红外线也敏感；CCD也可做成红外敏感型；(4)

2、象元尺寸精度优于1m,分辨率高；(5) 可进行非接触位移测量；(6）基本上不保留残象（真空摄像管有15%20%的残象）。(7) 视频信号与微机接口容易。 CCD称为固体成象器件。固体成象器件不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换，再用电子束按顺序进行扫描获得视频信号； 固体成象器件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。7.1 电荷耦合器件7.1.1.7.1.1.电荷耦合器件的结构电荷耦合器件的结构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是在MOS晶体管的基础上发展起来的，但与MOS晶体管的工作原理不同。MOS晶体管是利用在电极

3、下的半导体表面形成的反型层进行工作的，而CCD是利用在电极下SiO2半导体界面形成的深耗尽层（势阱）进行工作的，属非稳态器件。 在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为12001500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。这种结构再加上输入、输出结构就构成了N位CCD。CCD单元CCD线阵列 右图就是以P型硅为衬底的CCD结构示意图。线阵列固体线阵列固体摄象器件基摄象器件基本结构简图本结构简图二维固体摄象二维固体摄象器件电荷包帧器件电荷

4、包帧转移结构图转移结构图7.1.2.7.1.2.电荷耦合原理与电极结构电荷耦合原理与电极结构 对于半导体器件，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。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的增加而线性下降。 1.电荷耦合原理 下图是四个彼此紧密排列的MOS电容结构，当栅极电压变化时，我们看看势阱及阱内的信号电荷是如何变化与传输的。 当t=t2时，电极和电极均加有+10V电压，且两电极靠得很近，这样电极和电极下面所形成的势阱就连通，电极下

5、的部分电荷就流入电极下的势阱中。 当t=t3时，电极上的电压已由+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。 由上面过程可知，从t1t3 ，深势阱从电极下移动到电极下面，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，这就是电荷耦合。 假设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，其它三个电极上均加有大于阈值但仍较低的电压（图中为+2V），这些电极下面也有势阱，但很浅。 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

6、相等结构形式。 2. CCD电极结构形式7.1.3 7.1.3 电荷耦合器件的组成及其工作原理电荷耦合器件的组成及其工作原理CCD主要由三部分组成，信号输入部分、电荷转移部分和信号输出部分。 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：电注入和光注入。 在滤波、延迟线和存储器应用情况在摄像应用 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。 也就是说给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。如果这时在紧靠输人栅的第一个转移栅上施以更高的电压，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

7、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”流入第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。也可将信号加在栅上，通过信号调制控制栅下通道进行注入。 CCD的输入方式有场效应管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入等。 电注入电路是CCD器件不可缺少的电路，所有CCD器件都带有输入电路。一、输入部分一、输入部分 。固体图像器件的光敏元主要有： 光电导体、光电导体、MOSMOS二极管、二极管、PNPN结光电二极管和肖特基势垒光电二极管结光电二极管和肖特基势垒光电二极管。 摄像时光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子一空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，少数载流子

8、便被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。 二、信号转移部分二、信号转移部分 信号转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。 右图示出了三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。由图可见，在信号电荷包运行的前方总有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前连续运动。此外，还有一种(如两相时钟驱动)是利用电极不对称方法来实现势阱分布不对称，促使电荷包

9、向前运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，必须远小于势阱的热弛豫时间，所以CCD 是在非平衡状态工作的一种功能器件。 三、输出部分 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。 最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。 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。 CCD电荷转移沟道有

10、两种基本类型：一种电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件（简称SCCD）； 另一种电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类器件称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（简称BCCD）。 7.1.4 电荷转移沟道类型7.2 7.2 电荷耦合器件的分类电荷耦合器件的分类CCD器件按结构可分为两大类：线阵CCD和面阵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。7.2.1 线阵CCD （1）电极是金属的容易蔽光，即

11、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。 上述结构不宜作摄像用： 作为摄像器件则常将光敏区和转移区分开，从而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，光敏元被沟阻分隔。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。 同样光敏元的双边结构型CCD，要比单边结构型CCD的转移次数少近一

12、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。 7.2.2 面阵CCD 面阵CCD常见的基本类型有两种，即帧转移型(FT)和行间转移型(1LT)，也叫内线转移型。 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。前3个部分都是CCD结构，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。 1FTCCD 行间转

13、移(内线转移)结构采用了光敏区与转移区相间排列方式。这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。 2ILTCCD 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。 7.3 CCD摄像机分类按接收光谱分，CCD摄像机可分为可见光CCD、红外CCD、X射线CCD和紫外光CCD7.3.1 可见光CCD可见光CCD可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD三大类。 按照电视摄像机的类型，彩色CCD摄像机可分为三片式、二片式和单片式三种类型。 三

14、片式彩色CCD摄像机如图7-12所示。景物经过摄像镜头和分光系统形成红(R)、绿(G)、蓝(B)三个基色，图像分别照射到三片CCD上。这三片CCD常采用行间转移结构，因为行间转移结构可以把光敏区和转移区分开，能有效防止模糊现象。为了提高蓝光灵敏度，使用透明电极(SnO2)作为光敏区电极，转移寄存器采用BC-CD。 2 2微光微光CCDCCD “微光”是泛指夜间或低照度下微弱的、甚至能量低到不能引起人视觉的光。微光CCD是指能在微光条件下进行摄像的CCD器件。 微光摄影技术的实质是在物镜与目镜(或显示器)之间放置一个微光像增强器。通过能量转换和信号处理后，在输出端变换成具有适当亮度、对比度和清晰

15、度的可见的目标图像。 三种工作模式： 像增强器与CCD耦合模式、电子轰击(E-BCCD工作模式和TDICCD工作模式。(1) ICCD工作模式： ICCD满足微光摄影提高信噪比的方法有两种：一是加置像增强器；二是采用电子轰击的方法来获得倍增。二者都可使器件的灵敏度提高3-4个数量级。目前微光CCD摄像器件共有两种类型： 增强型CCD(ICCD)和时间延迟积分型CCD(TDICCD)；像增强器与CCD芯片耦合模式 目前像增强技术已从如下图所示的第一代像增强器发展到微通道板和GaAs等负电子亲和势光电阴极相结合的第三代像增强器。 像增强器与CCD的耦合是一种混合式结构，通常采用两级像增强。 第二级

16、采用S-20光电阴极，增强后的光学图像用2.54mm长的光导纤维束耦合到CCD芯片上。第一级采用直径为18mmGaAs光电阴极，其灵敏度为900A/lm，光谱响应范围0.60.9m，极限分辨率为36线对毫米。电子轰击模式（ E-BCCD ） 该装置是将CCD作为像增强器的阳极直接放置到真空(1.3313.3Pa)管的成像位置，S-20为光电阴极。其工作原理是，当入射光子打在S-20光电阴极上时，发射光电子，光电子被加速(1015kev)并聚焦在面阵CCD芯片上，在光敏元中产生电荷包，积分结束后电荷包转移到移位寄存器输出。 目前EBCCD常用的三种聚焦方法如下图所示。各有优缺点，即静电聚焦方法得

17、倒像，易产生枕形畸变；近贴型方法得正像，会引起强的背景辐射；磁聚焦法得正像，易引起螺旋形畸变。 EBCCD的缺点是工作寿命短，因为CCD在1020keV的电子轰击下工作会产生辐射损伤，致使暗电流、漏电流增加，转移效率下降。如果采用背照式，情况会有所改善，但工艺步骤增加，会使成品率降低。 (2)TDICCD工作模式 TDI模式不加像增强器而能在微光条件下工作，这种模式能增强每场光积分时间，也等效于增大了光积分面积，从而提高了SN比。以这种模式工作的CCD常在低温(如-40以下)下工作，这样可以大幅度地降低暗电流。7.3.2 IRCCD 上世纪70年代以来，研制成多种红外探测器二维阵列，把被测图像

18、成像于二维阵列上，并转换成电子图像，借助于电子自扫描技术以视频信号输出。用红外探测器阵列代替可见光CCD的光敏元部分，就构成焦平面红外阵列(IRCCD)。根据敏感材料的不同，常用的红外焦平面阵列有PbS和PbSe阵列，PtSi阵列，InSb阵列，HgCdTe阵列，GaAs/ALGaAs阵列，掺杂硅阵列和热释电探测器阵列等几种。 对于X射线的探测，人们越来越寄托于CCD。因为CCD对X射线的感光度比X射线胶片要高2001000倍，即便是非常微弱的X射线图像也能拍摄到。 X射线CCD器件有两类，一类是直接用CCD像机拍摄X射线图像；另一类是在每个光敏元上装置有带隔离层的能把x射线转换成可见光的碘化

19、铯晶体，它几乎能把照射的X射线全部吸收。 7.3.3 X射线CCD 为了提高探测效率，人们自然会想到采用减薄背照CCD来探测紫外光，但是减薄后的硅表面会形成天然的氧化层，这种氧化层即使很薄(5nm以下)也会影响整个传感器的性能，因为Si-SiO2的界面态对光生载流子的复合会损失许多有用的信号电荷。同时界面态俘获和释放电荷的过程还会影响期间的稳定性。解决的办法，一是采用各种“背堆积”(Back-accumulation)技术减小界面态作用，二是涂覆某些荧光物质，如六苯并苯(Coroneoe)把紫外光转换成0.5m附近的荧光，利用硅CCD的吸收，并起抗反射涂层的作用。也有人认为采用水杨酸钠和红宝石

20、混合物更好，因为水杨酸钠荧光区为0.40.5m，正好是红宝石的吸收带，而红宝石的强荧光区为0.600.77m，这接近硅的响应峰值。7.3.4 紫外CCD 近几年来，微光和X射线CCD都取得了很大进展，由于紫外辐射与半导体材料之间相互作用中的许多问题没得到认真解决，如正面CCD较厚的栅氧化层(50120nm)强烈地吸收紫外辐射，使直接探测效率极低。使得用于紫外辐射波段的CCD进展缓慢。目前紫外CCD还在开发之中。7.4 CCD的性能参数741 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为 ，其比值 0Q1Q%0

21、1QQ称为转移效率而没有被转移的电荷Q与原信号电荷 之比0Q0QQ称为转移损失率 当信号电荷转移n个电极后的电荷为 时，总转移效率为 nQnnnneQQ)1 (0 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。 一个CCD器件如果总转移效率太低，就失去实用价值。 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

22、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。 为了减小在短波方向多晶硅的吸收，用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做电极，可以减小起伏幅度。7.4.2 光谱响应率和干涉效应 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，则在此方向上象元的空间频率为1/p(线对/毫米)，其极限分辨率将小于1/2p（线对/毫米）。 如果用TVL（电视线）来表示，在某一方向的象元个数就是极限TVL数，显然TVL数的一半与CCD光敏面高度尺寸的比值就是相对应的线对/毫米数

23、。 若用调制函数来评价CCD的图像传递特性，那么，CCD的总调制函数MTF取决于器件结构（象元宽度、间距）所决定的几何MTF1 、载流子横向扩散衰减决定的MTFD 和转移效率决定的MTFT ，总的MTF等与三者的乘积。并且总MTF随空间频率的提高而下降。 7.4.3 分辨率和调制传递函数（MTF） 动态范围表征器件能在多大照度范围内正常工作。一般定义动态范围是输出饱和电压饱和电压和暗场时噪声的峰值电压噪声的峰值电压之比。 一个好的CCD器件，其动态范围可达： 10005000。 CCD最小照度受噪声限制，最大照度受电荷处理容量的限制， 增大动态范围的途径是降低暗电流，特别是控制暗电流的尖锋，不

24、均匀的暗电流及尖峰都会构成图像噪声，从而影响像质，也影响动态范围。7.4.4 动态范围7.4.5暗电流和噪声 暗电流是指在既无光注入，又无电注人情况下输出的电流。暗电流主要来源有三个，即半导体衬底的热激发、耗尽区里产生复合中心的热激发和耗尽区边缘的少子热扩散。其中耗尽区内产生复合中心的热激发是主要的。 CCD的噪声可归纳为3类，即散粒噪声、转移噪声和热噪声一、散粒噪声 在CCD中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总是围绕平均值上下变化，形成噪声。 转移噪声是由转移损失及界面态俘获引起的，它具有两个特点，一是积累性，另一个是相关性。积累性是指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的

25、，与转移次数成正比。相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的。 二、转移噪声 热噪声是由于固体中载流子的无规则运动引起的，这里指的是信号电荷注人及输出时引起的噪声，它相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和。三、热噪声 三种噪声的源是独立无关的，所以CCD的总噪声功率应是它们的均方和。光电二极管有两种阵列型式: 一种是普通光电二极管阵列，它是将N个光电二极管同时集成在一个硅片上，将其中的一端（N端）连接在一起，另一端各自单独引出。像元数只有几十位，为连续工作方式。 另一种是自扫描光电二极管阵列SSPD，在器件的内部还集成了数字移位寄存器等电路，工作在电荷存贮方式。7.5 7.5 自扫描光电二极管阵

26、列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）7.5.1.7.5.1.光电二极管阵列的结构形式和工作原理光电二极管阵列的结构形式和工作原理1光电二极管阵列的结构形式光电二极管阵列的结构形式2.2.光电二光电二极管阵管阵列的工作原理的工作原理 AEhvqIp 式中E为入射光的辐照度；为量子效率；A为光电二极管光敏面面积； 为入射光的频率。由上式可见，光电流与入射光的辐照度和光敏区面积成正比。光一直照下去，负载上的电流一直输出。 （1）连续工作方式 下图所示是光电二极管的连续工作方式，当一束光照到光电二极管的光敏面上时，光电二极管输出的光电流为 但是光电二极管的面积很小，输出光电流是很微弱的。要读取

27、图像信号，就要采用放大器。此外，采用连续工作方式，N位图像传感器至少应有N+1根信号引出线，且布线上也有一定的困难，连续工作方式一般只用于64位以下的光电二极管阵列中。（2）荷存贮工作方式 电荷存贮工作方式的原理如下图所示。图中，D为光电二极管，Cd为等效结电容，Vc为二极管的反向偏置电压（一般为几伏），RL为等效负载电阻。光电二极管电荷存贮工作过程分以下几步： (a) 准备过程 cdVCQ 闭合开关K，如右图。电源Vc 通过RL 向结电容Cd 充电，充电到稳定后，二极管p-n结上的电压基本上为电源电压Vc。此时结电容Cd上的电荷(b) 曝光过程 打开开关K，让光照在光电二极管上，如上图。由于

28、光电流和暗电流的存在，结电容Cd将缓慢放电。若K断开的时间为Ts（电荷积分时间），那么在曝光过程Cd上所释放的电荷是sDpTIIQ)(spTIQ 式中 为平均光电流。这时结电容Cd上的电压也下降到pIdccdCQVV 经过时间Ts的积分后，再闭合开关K，如下图所示。电容Cd 再充电，直到Cd 上的电压达到Vc 。显然，补充的电荷等于曝光过程中Cd 上所释放的电荷。再充电电流在电阻RL上的压降VR 就是输出的信号。(c) 再充电过程输出的峰值电压dcdcRCQVVVmaxdspdspRCTESCTIVmax 上述过程表明，光电流信号的存贮是在第（b）步中完成的。输出信号是在第（c）步再充电过程中

29、取出的。 在实际的SSPD器件中，一般由MOS场效应晶体管（FET）控制光电二极管的电荷积分及再充电过程，如下图所示。 在场效应管T的栅极上加一控制信号e，当e为负电平时，管子T导通，起到开关K闭合的作用；当e为“0”电平时，T截止，相当于开关K断开。下图是SSPD器件内部单元的结构图。 自扫描光电二极管阵列根据象元的排列方式不同，可分成线阵和面阵。 线阵主要用于一维图象信号的测量，例如光谱测量，衍射光强分布测量，机器视觉检测等。 面阵能直接测量二维图象信号。 7.5.2. SSPD7.5.2. SSPD线阵线阵SSPD线阵主要由以下三部分组成 (1) N位光电二极管组成列阵 用集成技术把N个

30、完全相同的光电二极管等间距地排列成一条直线，故称为线阵。 (2) N个多路开关 由N个MOS场效应管T1TN 组成，每个管子的源极分别与对应的光电二极管p（正）端相连。而所有的漏极连在一起，组成视频输出V0 (3) N 位数字移位寄存器 它提供N路扫描控制信号e1eN（负脉冲）。每路输出信号与对应的MOS场效应管的栅极相连。 如下图所示：SSPDSSPD面阵由光电二极管阵列、水平扫描电路、垂直扫描电面阵由光电二极管阵列、水平扫描电路、垂直扫描电路以及多路开关四部分组成；路以及多路开关四部分组成； 右下角是每一象素的单元电路。 工作过程如下：水平扫描电路输出的H1H4， 扫描信号控制MOS开关 Th1Th4； 垂直扫描电路输出的V1 V3信号控制每一象素内的MOS开关的栅极，从而把按二维空间分布照射在面阵上的光强信息转变为相应的电信号，从视频线V0上串行输出。这种工作方式又称为XY寻址方式。7.5.3. SSPD7.5.3. SSPD面阵面阵7.5.4. SSPD7.5.4. S