第六章 电荷耦合器件CCD

1、第六章第六章 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD6.1 概述概述6.2 CCD单元和线阵列结构单元和线阵列结构6.3 电荷耦合器件物理基础电荷耦合器件物理基础6.4 CCD基本工作原理基本工作原理6.5 电荷耦合器件的特征参数电荷耦合器件的特征参数6.6 应用应用 概述概述6.1 概述及应用概述及应用电荷耦合器件简称为电荷耦合器件简称为CCD( Charge Coupled Device)一种固体平面成像器件。一种固体平面成像器件。基本功能是电荷的存储与转移。基本功能是电荷的存储与转移。体积小、重量轻、结构简单、体积小、重量轻、结构简单、功耗小、成本低、传输快、功耗小、成本低、传输快、噪声小。噪声

2、小。特点特点: 1 Al2 SiO2栅极1、MOS电容器，即电容器，即金属氧化物半导体金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)电容器，由电容器，由P型（或型（或N型）型）Si层、层、SiO2层和金属层和金属层构成。层构成。2、两个引出电极，两个极板分别由、两个引出电极，两个极板分别由金属和半导体金属和半导体构成。金属构成。金属上的电极称为栅极，半导体衬底上的电位一般加上的电极称为栅极，半导体衬底上的电位一般加0伏。伏。3、MOS电容器工作时，在栅极和半导体衬底之间加有栅极电电容器工作时，在栅极和半导体衬底之间加有栅极电压压Vg。一、一、 MOS的结构的结构P(Si

3、)6.2 CCD单元与线阵列结构单元与线阵列结构 a) CCD单元单元 b) CCD线阵列线阵列 CCD在结构上是许多小在结构上是许多小MOS电容器电容器的集成。的集成。二、二、 CCD线阵列结构线阵列结构6.3电荷耦合器件物理基础电荷耦合器件物理基础在金属层上施加在金属层上施加正电压正电压， 表面势表面势Vs为正。为正。空穴耗尽层空穴耗尽层 Vs随耗尽区的形成而升高，耗尽区深度随着随耗尽区的形成而升高，耗尽区深度随着栅极电压的升高而不断变宽。这种状态就是栅极电压的升高而不断变宽。这种状态就是多多数载流子的耗尽状态数载流子的耗尽状态。在耗尽区，空穴的浓度。在耗尽区，空穴的浓度几乎为零。几乎为零

4、。gVMOS电容器中多数载流子耗尽状态电容器中多数载流子耗尽状态 当当Vg进一步增大时，进一步增大时，耗尽区达到深度耗尽状耗尽区达到深度耗尽状态。在表面处形成势阱态。在表面处形成势阱（位阱）（位阱）,形成了对电子形成了对电子的收集能力。的收集能力。 这种状态就是这种状态就是载流子载流子的反型状态。的反型状态。 载流子的反型状态载流子的反型状态反型状态开始时的栅极电压为阈值电压反型状态开始时的栅极电压为阈值电压Vth注意：注意：耗尽状态为耗尽状态为非稳定状态非稳定状态，此时，此时VgVth ；反型状态为反型状态为稳定状态稳定状态，此时，此时VgVth 。gV三、三、CCD器件的工作条件及要求器件

5、的工作条件及要求 每个每个CCD单元单元都是一个都是一个MOS电容器，所以电容器，所以它能储存电荷。它能储存电荷。 CCD的工作条件：的工作条件： MOS电容器处于没有达电容器处于没有达到反型状态前的到反型状态前的深度耗尽状态深度耗尽状态。 CCD的工作要求的工作要求： 信号电荷的存储时间小信号电荷的存储时间小于热激发电子的存储时间，于热激发电子的存储时间，t 0.1sCCD电荷的注入电荷的注入注入方式：注入方式：光注入：光生电荷构成光信号电流；光注入：光生电荷构成光信号电流；电注入：电注入直接输入信号电流，既可以是数字模拟处电注入：电注入直接输入信号电流，既可以是数字模拟处理系统的输入信号，

6、也可以是其他光电器件的光电信号。理系统的输入信号，也可以是其他光电器件的光电信号。方式一方式一是当用作信息存贮和处理时，通过输入端注入与信号是当用作信息存贮和处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷；成正比的电荷；方式二方式二是当用作拍摄光学图象时，通过光电转换系统把光学是当用作拍摄光学图象时，通过光电转换系统把光学图象的照度分布转换成电荷分布，然后通过输入端注入到每图象的照度分布转换成电荷分布，然后通过输入端注入到每一位势阱中。一位势阱中。6.4 CCD器件基本工作原理器件基本工作原理CCD电荷的耦合电荷的耦合 在提取信号时，需要将在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出电荷包有规则地传送出

7、来，这一过程叫做来，这一过程叫做电荷电荷耦合（转移）。耦合（转移）。它是靠在时钟脉冲作用它是靠在时钟脉冲作用下不断改变各个电容器下不断改变各个电容器的栅极电压，以的栅极电压，以电荷耦电荷耦合方式合方式实现的。实现的。V2V2V21Vg2VgV10V10V10V2V24Vg3VgV2V10V2V2基于势阱的有无和深度基于势阱的有无和深度都取决于栅极的电位，都取决于栅极的电位，通过不断地改变各栅极通过不断地改变各栅极上的电位值，使栅极下上的电位值，使栅极下势阱底抬高或降低，实势阱底抬高或降低，实现其中电荷包有规则、现其中电荷包有规则、可控制地传输，直到输可控制地传输，直到输出端。出端。 V2V2V

8、21Vg2VgV10V10V10V2V24Vg3VgV2V10V2V26.5 电荷耦合器件的特征参数电荷耦合器件的特征参数转移效率转移效率电荷存储能力电荷存储能力暗电流暗电流噪声噪声转移效率转移效率 =Q=Qn+1n+1/Q/Qn n Q Qn+1n+1转移到下一个势阱中的电荷数，转移到下一个势阱中的电荷数，Q Qn n原原势阱中的电荷数势阱中的电荷数 原势阱剩中的电荷数原势阱剩中的电荷数Q Qn+1n+1 Q Qn n 转移损失率转移损失率=（ Q Qn+1n+1 Q Qn n ）/Q/Qn n 转移损失率转移损失率为为 若电荷包转移了若电荷包转移了n n次，总的转移效率为次，总的转移效率为

9、1n21总暗电流暗电流暗电流的根本起因在于暗电流的根本起因在于半导体的热激发半导体的热激发。暗电流的暗电流的危害危害有：有：限制器件驱动频率的低频限。限制器件驱动频率的低频限。引起固定图像噪声。引起固定图像噪声。措施：措施：完善工艺，提高晶体质量和降低工作温度。完善工艺，提高晶体质量和降低工作温度。噪声噪声CCD器件的噪声源主要有以下几类：器件的噪声源主要有以下几类：本征噪声本征噪声：包括与电荷存贮和转移有关的噪声，如暗电流噪声、包括与电荷存贮和转移有关的噪声，如暗电流噪声、转移噪声、体陷阱噪声；转移噪声、体陷阱噪声；外来噪声外来噪声：是与操作、输入和输出有关的噪声，如电荷注入和是与操作、输入

10、和输出有关的噪声，如电荷注入和输出噪声等。输出噪声等。散粒噪声散粒噪声：热激发和光激发引起的噪声。热激发和光激发引起的噪声。用于小尺寸测量用于小尺寸测量 光路部分光路部分 测量系统组成测量系统组成6.6 应用应用2 2大尺寸大尺寸测量测量被测对象长度被测对象长度L3 3微光微光测量中的应用测量中的应用用于微光测量用于微光测量4. 4.钢板表面缺陷在线检测应用钢板表面缺陷在线检测应用 系统主要由系统主要由CCD CCD 相机、相机、光源光源(LED(LED线型光源线型光源) )、并行计算系统、服务器并行计算系统、服务器和控制台组成和控制台组成 检测缺陷的尺寸、部位、检测缺陷的尺寸、部位、类型、等级。类型、等级。 面阵相机适用于低速运面阵相机适用于低速运动的钢板生产线检测，动的钢板生产线检测，通常速度低于通常速度低于10m/s10m/s。 高速扫描的线阵相机可高速扫描的线阵相机可以检测速度为以检测速度为30m/s30m/s的的钢板。钢板。5 5 用于光学文字识别装置用于光学文字识别装置本章重点本章重点CCD单元和线阵列结构单元和