电荷耦合器件(CCD)课件

电荷耦合器件

简介电荷为信号基本功能:电荷的存储和转移工作过程:产生、存储、传输和检测

两类：电荷包在半导体和绝缘体之间，界面传播（SCCD）；电荷包存储在离表面一定深度的体内，体内传播（BCCD）CCD类型：表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。工作过程：电荷的产生、存储、传输＆检测。CCD应用的分类：在电子计算机或数字系统中信息存贮与处理摄像装置主要特性：1.体积小，重量轻，耗电少，启动快，寿命长2.光谱相应范围宽3.灵敏度高4.暗电流小，监测噪音低5.动态响应范围宽6.分辨率高7.与微光像增强器级联，低照度下可采集信号8.有抗过度曝光性能电荷存储基本单元是MOS

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表面势、势阱栅电极G氧化层P型半导体耗尽区反型层uG>uthuG<uthuG=0构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UG<Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进一步向半导体内延伸；当UG>Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引导表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。ФSUGP型硅杂质浓度Nd=1021m-3反型层电荷QINV=01.0V1.4VUth=2.2V3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面势与栅极电压的关系ФSQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面势与反型层电荷密度的关系曲线的直线特性好，说明两者有着良好的反比例线性关系。可以“势阱”的概念来解释。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空势阱填充1/3势阱全满势阱电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体地交界面处。MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A电荷耦合假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图b＆c。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。2V10V2V2Va存有电荷的势阱b2V10V2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2VcdefФ1Ф2Ф3通过将一定规则变化的电压加到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电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。如图f，为三相时钟脉冲，此种CCD称为三相CCD。CCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD（工作频率高）,而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD。电荷的注入＆检测电荷的注入（1）光注入当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式＆背面照射式。其光注入电荷：材料的量子效率入射光的光子流速率光敏电压的受光面积光注入时间U+U+势垒P-Si背面照射式光注入（2）电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电流注入法IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PID为源极，IG为栅极,而Ф2为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1N+P-Si电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与Ф2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极Ф2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的势垒把Ф2＆N+的势阱分开。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。电荷的检测信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，而在输出端需选择适当地输出电路减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。（1）电流输出：如图a。由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散＆时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到Ф2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到身势阱中。UDRDRgAOGФ1Ф2放大P-Si图aN+OGФ1Ф2浮置扩散T1（复位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置扩散放大器输出：如图b.图b复位管在Ф2下的势阱未形成前，在RG端加复位脉冲，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到UDD，而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化。（3）浮置栅放大器输出：如下图。浮栅T2UDDФ1Ф3Ф2Ф1Ф3Ф2Ф3T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制T2的栅极电位。CCD的特性参数1、转移效率＆转移损失率转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。转移损失率：ε(t)Q(0)/C5MHz1MHz影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零信号”也有一定的电荷。2、工作频率f（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t

为：t=T/3=1/3f,故，f>1/3ζ。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故t≤T/3，即f≤1/3t。ε(t)驱动脉冲频率fQ(0)/C=2V5V10Vε驱动脉冲频率f实测三相多晶硅N沟道SCCD的关系曲线10MHz电荷耦合摄像器件（ICCD）1、工作原理利用光学成像系统将景物图像成在CCD地像敏面上。像敏面将照在每一像敏面的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中，然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。2、类型（1）线型CCD摄像器件单沟道线型ICCD双沟道线型ICCD（2）面阵ICCD帧转移面阵ICCD隔列转移型面阵ICCD线转移型面阵ICCD它们的结构原理见课本P126_128ICCD的基本特性参数（1）光电转换特性良好，光电转换因子可达到99.7%。（2）光谱响应ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0.4~1.1um，平均量子效率为25％，绝对响应为0.1~0.2A*W-1。(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定。（4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声（转移噪声）＆检测时产生的噪声（输出噪声）。（5）暗电流产生的主要原因：耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散；来自SiO2表面（硅中缺陷＆杂质数目）