第3章电荷耦合器

1、第第3 3章章 电荷耦合器件电荷耦合器件Charge Coupled DeviceCCD 新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件新型智能传感器 第一节第一节 CCD的物理基础的物理基础电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定规律排列的 MOS电容器阵列组成的移位寄存器，在MOS电容器阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。p-SiVGSiO2金属金属1200-1500A可以实现可以实现光电转换、信号储存、转移光电转换、信号储存、转移(传输传输)、输、输出、处理出、处理以及电子快门等一系列功能。以及电子快门等一系列功能。新型智能传感器电荷

2、耦合器件电荷耦合器件新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件具有以下一些特点：具有以下一些特点：u一般特性：一般特性：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。寿命长。u分辨率高：分辨率高：线阵线阵7000Pixel、分辨能力、分辨能力7 m，面阵，面阵40964096，整机分辨能力，整机分辨能力1000线以上。线以上。u兼容性：兼容性：任选模拟、数字输出形式，与同步信号、任选模拟、数字输出形式，与同步信号、I/O接口及微机兼容，组成高性能系统。接口及微机兼容，组成高性能系统。u光电特性：光电特性：灵敏度高、动态范围大。灵敏度灵敏度高、动态范围大。灵敏度0.01

3、Lx，动态范围，动态范围106：1，信噪比，信噪比6070dB。u分类：分类：线阵和面阵器件。线阵和面阵器件。新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 一、稳态情况稳态情况MOS结构的物理性质结构的物理性质新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件p-SiVGp-SiVGVG = 0新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 1.1.多数载流子堆积状况多数载流子堆积状况多数载流子堆积状态1、VG0。金属电极上加负电压。金属电极上加负电压2、半导体表面的表面势、半导体表面的表面势VS 03、排斥电子、吸引空穴排斥电子、吸引空穴4、近表面处的空穴浓度增大。、近表面处的空

4、穴浓度增大。VG Vth就使 MOS结构形成强反型状态，实际中 ，还应考虑到所谓“平带电压”的存在。)ln(41)ln(20iAAsoxiAnNkTNCnNqkT)ln(410iAAsoxOXnNkTNCV-表面出现反型状态时对应的外加栅压VG以Vth表示.p-SiVGVSvox其中：VS = VG - Vox阈值电压：阈值电压：Vth = VS + Vox新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件二、非稳态情况二、非稳态情况MOS结构的物理性质结构的物理性质u动态过程动态过程：施加栅压的瞬间，半导体表面的空穴被排斥而形成耗尽区。反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电子空穴对的电子。 u从非平衡

5、态的建立开始到达热平衡状态（即稳态）需要一定的时间-存贮时间T。 新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件u达热平衡之前，MOS结构中是空的电子势阱。从表面一直到体内较深处（称深耗尽）。u如果用信号电子QS注入势阱，势阱变浅；当表面势VS下降至两倍费 米电势时，势阱“充满”，不再能吸纳信号电子。u非稳态时，VS大，势阱深。势阱所能容纳的最大电荷量近似为：QS = CoxVGAd02iAnNT 0：耗尽区少子寿命；：耗尽区少子寿命；ni：本征载流子浓度；：本征载流子浓度；NA：受主浓度：受主浓度新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件第二节第二节 CCDCCD的工作原理的工作原理1、采用单层单电极，

6、势阱对称。时钟脉冲控制电荷传输方向，防止电荷倒流。一、一、CCD的电极结构的电极结构 若干电极为一组构成一“位”。每位有有独立的驱动时序，称作“相”。电极结构分为二相、三相、四相三类。2、为使电荷传输，采用交叠电极结构. 三相电极结构三相电极结构：新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 2、这种二相电极结构减少时钟脉冲相数，电路相对简单。电路相对简单。二相电极结构二相电极结构： 氧化层厚度大或掺杂浓度高的地方势阱浅浅， 氧化层厚度薄或掺杂浓度低的地方势阱深深。1、施加电压后，形成不对称的势阱，新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件二、二、CCD的电荷转移的电荷转移 1、三相、三相CCD的电荷转

7、移的电荷转移新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 2、二相、二相CCD的电荷转移的电荷转移新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 三、信号输出方式三、信号输出方式1. 电流输出方式：电流输出方式：2）电荷包进入3下后 3从高变低从高变低 ，VOG升高（同时提升了二极管的反向偏压），形成反向电流反向电流，通过负载电阻流入体外放大器。1）构成构成：输出栅OG、输出反向二极管、片外放大器。-+VBLPFC3）电荷转移到输出扩散结本质上是无噪声无噪声的。4）输出线性与输出二极管结电容大小有关，输出信噪比取决于体外放大器。新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件2. 电压输出方式电压输出方式：在体外集成

8、复位管T1和放大管T2。式中，CFD为浮置扩散节点上的总电容。voutT2voutT1rVcc浮置扩散放大器浮置扩散放大器:原理原理:2）当信号电荷到来时，T1截止，信号电荷控制T2的栅极电位： Vout = Qs / CFD1）在3下的势阱形成之前加r，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过T2的沟道抽走。新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件四四、CCD的特性参数的特性参数没有被转移Q（=Q1-Q0）与原有Q0之比值，称作转移损失率转移损失率 。1)、定义：当前电极下Q1与上一电极Q0的比值，称作转移效率转移效率 。 3）、在输出端获得的放大了的信号电压为：LmLmoutoutRgRgVV1/

9、式中，gm为T1栅极与源极之间的跨导。所有的单元做在同一衬底上，抗噪声性能比电流输出好。所有的单元做在同一衬底上，抗噪声性能比电流输出好。1.电荷转移效率及电荷转移损失率电荷转移效率及电荷转移损失率新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件2)、计算式：Qn / Q0 = n = ( )n e -n结论：结论： 如果转移 n个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为： 如果总转移效率太低， CCD器件就失去实用价值。因为，如果一定，那么器件的位数就受到限制。新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件2）计算式：N / f L （or） f L N / （相数 N = 2、3、4）2.工作频

10、率工作频率 f太高，会降低总转移效率，同样降低了信噪比。CCD器件的工作频率应选择在器件的工作频率应选择在fL 和和fh 之间。之间。1）定义： 信号电荷从一个电极转移到另一个电极的频率 f，包括上限频率及下限频率。f 太低，热激发的少子过多填入势阱，降低输出信号的信噪比。Th / 3=1/(3 f h ) tm （or） fh (3 tm)-1 （相数 N = 2、3、4）工作频率的上限fh：工作频率下限f L ：结论结论：新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 2）计算式：计算式： Nmax= Cox VG Ad / q = V G 0 s Ad2 / dq一定栅极电压作用下，势阱中能容纳

11、的最大电荷量可以近似地当作电容对电荷的存储来分析Qs = Cox VG Ad式中，VG 为时钟脉冲变化幅值；Cox为SiO2层的电容；Ad为栅电极面积。如果SiO2氧化层的厚度为d，则势阱中最大电荷贮存容量为：1）定义：）定义：3.电荷贮存容量电荷贮存容量新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件设电极下氧化层厚度 d1500nm， VG10V，s =3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。计算得Nmax =7106 ，可容纳1000 Lx 的光照射2ns所产生的载流子3）举例：）举例：举例举例新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 入射在CCD象元上的单位能流密

12、度所产生的输出电压Vs的大小，用SV表示。LmLmFDSSVRgRgCQVS114.灵敏度灵敏度2）计算式：计算式：1）定义：）定义：新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件1）定义：）定义： 在一定的测试条件下， CCD能传感的景物光学信息的最小空间分布，用Tx表示。5.分辨率分辨率2）计算式：计算式： 设CCD像元精密排列，象素中心间距t，则器件的极限分辨率 Tx = 2t新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件光谱响应随光波长的变化而变化的关系称为光谱响应随光波长的变化而变化的关系称为光谱响应函数光谱响应函数6.光谱响应光谱响应2）光谱响应率由）光谱响应率由器件光敏区器件光敏区材料决定。材料

13、决定。1）定义：）定义： 指器件在相同光能量照射下，输出的电压Vs与光波长之间的关系。新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件第三节第三节 CCDCCD器件器件一、典型的一、典型的CCD结构结构1.单沟道线阵单沟道线阵CCD结构结构移位寄存移位寄存器器CCD转移栅转移栅光栅光栅光敏元光敏元输出输出新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件2.双沟道线阵双沟道线阵CCD结构结构新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件3.帧转移面阵帧转移面阵CCD结构结构摄像器件摄像器件新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件4.行间转移行间转移CCD结构结构新型智能传感器电荷耦合器件

14、电荷耦合器件二、典型的二、典型的CCD器件及其驱动器件及其驱动TCD142D型CCD性能参数：性能参数：1、象素(象元)：2048位线阵2、相数：二相新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 3、像元尺寸： 14m，光敏阵列总长28672m 4、引脚： 1A 、2A 、1B 、2B均为时钟端、SH为移动栅、 RS 为复位栅,OS为移动栅、DOS为补偿输出端、OD为电源端、 SS为接地端、NC空闲。 5、像元结构： 2110个光敏像元阵列,62个哑元（前51个、后 11个)双沟道。新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件1、SH为同步脉冲，B时段，光敏区与移位寄

15、存器之间的势阱沟通，信号电荷转移至l 电极下。2、C时段，隔离光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通。3、随后，l 与2交替变化，信号电荷顺序转移，经由OS引脚输出。4、输出：12个虚设脉冲（结构上的原因） 51个暗电流脉冲 2048个信号脉冲 11个暗电流脉冲（共12+51+2048+11=2122个脉冲） 多余无信号脉冲。5、该器件是两列并行传输，在一个SH 周期中至少要有1061个1脉冲，即TSH1061T1。6、 RS复位一次输出一个光电信号。 DOS端是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动脉冲 对输出电路的容性干扰信号，若将OS和 DOS分别送到差分放大器的两个输入端，则在输出端将得到被放大

16、的没有驱动脉冲干扰的光电信号。新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件TCD142D驱动电路驱动电路TCD142D驱动电路新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件第四节第四节 CCD在测量中的应用在测量中的应用一、尺寸测量一、尺寸测量测量精度 外径：0.1mm 壁厚：0.05mm设计思想设计指标设计指标玻璃管平均外径：12mm 壁厚：1.2mm新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件则： d1 = n1t / d2 = n2t / D = Nt / 光学参数计算光学参数计算设：设：象元尺寸：t上壁厚：d1 ，脉冲数n1下壁厚： d2 ，脉冲数n2外径尺寸：D，脉冲数N玻璃管的像大小为：玻璃管的像大小

17、为：9.6mm物镜放大率：新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 选择远心光路的放大率为0.8倍，则：玻璃管的像大小为：9.6mm 外径及壁厚测量精度要求反应在像面上为：0.08mm及0.04mm 根据CCD测量灵敏度的需要，0.04mm要大于2个 CCD光敏像素的空间尺寸，选择TCD132D（光敏区长102414m=14.336mm）。注意：注意：新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件二、位移测量二、位移测量设计思想设计思想（）设计指标：设计指标：最大电动程：3mm最小微位移：0.004mm测量仪器设计确定：测量范围：03.5mm灵敏度：0.003mm测量误差：0.1非接触在线测量非接触在线测量新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件式中：N为M1M2之间的象素数量。L = (LBa - LBa) + 0.5 (Wab - Wab)L = (NL - NL) + 0.5 (NW - NW) 分析分析设：放大系数设：放大系数 CCD面上光强凹陷移动L，则：顶杆的电动程x = L / 又设CCD单元象素宽度为t, 则： L = Nt新型智能传感器电荷耦合器件电荷耦合器件计数电路计数电路 以以 SH为标志，为标志， SH出现起延时固定时间，由计算机输出出现起延时固