CCD损伤机理讲稿

1、1969年，CCD由贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith发明，并于次年发表。CCD是一种电荷转移器件，集成了一系列的电荷存储单元，通过对外加电压的控制，实现电荷的存储及电荷在相邻的储存单元间的转移（或称耦合）。以电荷作为信号的载体，CCD器件可用来实现信号的获取、存储、转移以及放大处理。由于现代工艺的提高，半导体器件的集成度不断提升,实现这些功能的器件都可以集成在一个小芯片上，我们称之为CCD芯片,而原来CCD只是指耦合、传输电荷的那部分器件，我们现在统称实现这些全部功能的整个器件为CCD器件。CCD具有高解析度（像素从初期的十万多到现在的千万像素甚至更多，像素大小为微米级，可感

2、测及识别精细物体），低噪声和高敏感度（具有很低的读出噪声和暗电流噪声，因此居于哦较高的信噪比），动态范围广（同时适用于强光和弱光，提高系统的环境使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象），良好的线性特性曲线，体积小、重量轻、低能耗、可大批生产等等优点。CCD按照工作特性可分为线阵CCD和面阵CCD，线阵CCD由于对物象的多次光积分，可大大改善环境恶劣这一不利因素，在工业检测、空间探测、航天遥感、微光夜视探测等领域中得到了广泛的应用。（卫星上的监视相机，嫦娥上的相机均为这一类型）。而面阵CCD主要应用于数码相机（DC）、摄录影机、监视摄影机等影像产品上。CCD的基本单元是个MOS（MetalO

3、xideSemiconductor）电容，由金属或多晶硅、二氧化硅、P型硅组成，P型硅（多子是空穴）中的空穴均匀分布。当栅极G加上正电压UG时，栅极下面的空穴受到排斥，从而形成一个耗尽层。UG增加，耗尽层向半导体体内延伸。当UG数值高出某一临界值Uth时，在半岛体内靠近绝缘层的界面处，将有电子出现，形成一层很薄的反型层，反型层中电子密度很高，通常称之为沟道。反型层与半导体内部之间还夹有一层耗尽层。耗尽层可以认为是少数载流子也就是电子的“势阱”，而势阱里面电荷的容量跟MOS电容、电压UG以及结面积成正比。Q=C*UG*A。电荷的转移：按照一定的时间顺序调整加在各电极上的电压可移动势阱的位置，存储

4、在原势阱中的电荷也就通过半导体沟道转移到新的势阱中。通过将按一定规律变化的电压加到ccd各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把ccd的电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲。ccD正常工作所需要的相数由其内部结构决定。这样就有了二相ccd、三相ccd等不同相的ccd，二相ccd的电荷必须在二相交叠驱动脉冲的作用下，才能一定的方向逐单元地转移，三相ccd的电荷必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能一定的方向逐单元地转移。由电荷信息转换为图像信息还要经过电荷放大输出、图像信息还原等步骤。物象的亮度不同，也就对应着在ccd芯片上产生的光生载流子的数量不同，电荷放

5、大输出后的电压值不同，然后根据电压值不同还原成最高为255的不同灰度值图像。在这里不一一展开讲解。跟课题研究相关性也不大。CCD的电荷转移方式分为帧转移(FT-FrameTransfer)，行间转移dT-InterlineTransfer)，帧行间转移（FIT-FrameInterlineTransfer）。我的课题研究的CCD即为帧行间转移方式的四相驱动黑白面阵CCD,芯片是Sony的ICX405AL。这种类型的CCD是典型的行间转移型面阵CCD（IT-CCD），总像素数为537（水平）x597（垂直），有效像素数为500（水平）x582（垂直）。在每一行的有效像素之外，右侧有30个完全避免

6、光进入的光学黑体像素，此处的信号当做图像信号的黑体标准，左侧有7个暗电流成分较少的空中传输信号像素，用来当作观察像素信号含有暗电流大小的基准。行间转移方式型是也是摄影机或者数字照相机最常用的方式，行间转移方式CCD的像素主要由光电二极管和垂直CCD组成，前者负责光电转换与电荷储存，后者负责电荷的转移。遮光金属钨用来防止光进入垂直CCD,多晶硅为垂直CCD的四相驱动电极。为了提高入射光的利用率，目前商品化的CCD图像传感器，在像素上面放置了一层微镜头结构，将入射至摄影面的光集中到光电二极管。光电二极管和垂直CCD都采用埋沟式结构，表面采用一层全耗尽的掺杂层，光生电荷离开表面减少了表面复合，这种结

7、构具有较高的转换效率与较低的暗电流。CCD的像素构造如图所示。N-sub.图1像素截面构造行间转移方式CCD的工作原理:参照上面图片的像素构造，较黑的部分是遮光的垂直CCD,也就是负责电荷转移的部分；矩形区域是光电二极管，也就是一个PN结，具有光伏效应，对光敏感，光照会产生光生载流子（插入课题另一部分太阳能电池的介绍）。光电二极管对根据对应物象的亮度不同进行光电转换，产生光生载流子，这称为光积分。光积分结束后，光电二极管内光积分产生的载流子（其实是电子，光生载流子中的空穴部分被处理掉，因为由上面的介绍可知，此结构的信号传输载体是电子。把P型硅换成N型硅，则载体为空穴，所加电压UG也要变成负电压）在读出时钟脉冲的控制下，被转移到垂直CCD中，这个动作称作读出转移。完成这个动作之后，光电二极管进行下一帧图像的光积分。而电子在垂直CCD内，在四相时钟脉冲的控制下，逐行转移至水平CCD。电子在水平CCD内，将像素逐一转换成信号电压后输出。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 电垂直扫描期间尊垂頁消陳期间 HY