【《CCD的工作原理和总体方案分析》4000字】

CCD的工作原理和总体方案分析目录TOC\o"1-3"\h\u17020CCD的工作原理和总体方案分析 1188881.1CCD的工作原理 1274551.1.1CCD的结构 1220071.1.2CCD器件工作原理 322781.2设计的总体方案 61.1CCD的工作原理CCD是一种新型的固体图像器件,它在近代光学图像技术应用领域中非常重要的一种技术高新产品,其特点是工作电压低,功耗少,耐冲击性好,可靠性高,因此,迅速得到了发展。目前数字相机普遍采用CCD作为其感光元器件。其作为一种全新的影像图象处理传感器,它不仅具有图像灵敏度高、光谱图像响应宽、动态图像区间响应范围大、操作简单、易于维护保养、成本低、应用广泛等诸多技术优势。由于CCD的像素尺寸小，作为一种全新的影像图象处理传感器,它不仅具有图像灵敏度高、光谱图像响应宽、动态图像区间响应范围大、操作简单、易于维护保养、成本低、应用广泛等诸多技术优势。由于我的CCD系统是以自动光谱输入时间自动积分的一种方式实时进行监测工作的,光谱输入时间也积分可在很宽的时间范围内随时进行自动调节,因此它的使用方便灵活,适应性好,CCD的输出信号更加简单易于被通过数字化方式方便的进行处理，易于与移动计算机直接进行连接并可构建和形成一套实时自动光谱测量和远程控制的监测系统,可以被广泛地综合应用于电子光谱测量及电子光谱影像分析,文字与声音影像分析识别,光电子与影像分析图像识别处理,传真,复印,条形码以及标志图像识别及电子空间科学遥感等众多应用技术。而基于CCD图像传感器的内部成像系统全部采用了多通道芯片集成系统，其对电荷转移的精度要求非常严格、时钟脉冲复杂，图像中的信息也完全不能随意的直接读取。1.1.1CCD的结构CCD是由按一定规律顺序排列的MOS电容器部件所组成的，其基本单元结构采用MOS结构，其的主要突出特征之一就是,它是把电荷当做成信号传输的媒介，可以实现对电荷的搬运与存储。CCD从功能上可分为线阵列CCD和面阵列CCD等两大类，其中线阵CCD其功能多适合于应用于各种类型影像图形扫描仪及影像传真机上;而面阵列CCD主要广泛应用在各种数字相机、摄像头等各种类型影像扫描设备上。线阵CCD主要有单沟道和双沟道之分，由两个光敏区的线阵列与视频移位编码寄存器外围扫描处理电路共同设计组成,光敏区主要是MOS光敏电容或光敏扫描二极管的基本结构，由两个光敏区的线阵列与视频移位编码寄存器外围扫描处理电路共同设计组成,如图2-1所示的CCD是线阵列CCD。图2-1线阵CCD本文设计使用线阵CCD进行设计，故对线阵CCD着重进行介绍。常见的线阵CCD内部结构图如图2-2所示。中间部分是光敏单元，在光敏单元的两侧对称分部着两条相互平行的转移栅，转移栅外侧是电荷的存储区域。当起开始工作后，把一帧视频影像所需的接收感受到的敏感电荷从一个光敏区向多个存储区中心进行快速转移。信号的输出电荷被自动转移至存储区域,然后由存储区域的移位寄存器将我们要输出的信号进行逐个的输出，然后通过后面的转换电路将其输出的信号转换成我们所需要的输出模式，这样我们就获得了待检测产品的监测信息。出现最早的是一种单排排布结构的线阵CCD，他可以使用的位数很少。这种存储器件密封封装性特别高，并且具有很强的光敏感特性，比目前传统光敏机器人性能减少一半,可以大大小幅度地有效提高光敏转移的工作效率,改善了传统图像处理传感器的工作性能。图2-2线阵CCD结构1.1.2CCD器件工作原理CCD的主要工作原理可以用四个内容来进行概括：光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷读出。（1）光电转换CCD在导体电路中直接工作时的第一重要步骤就是完成光电子的转化，当光线照射到一个MIS电容上。在电场外加的原子电场相互作用力的激励下,两种电荷对会向着相反方向流动，从而产生光电流也就是产生传递信号的电荷。光电荷有很多种方法产生，其最为常用的两种办法分别是光、电注入，这两种方法使用的环境不太相同，不过，当下人们通常使用光注入法来对器件进行激励。光子注入有一个表达式，他表示光子与产生电荷的关系，如式(2-1)所示：QUOTEQIP=ηqΔnATC其中η为里子效率，Δn为入射光子的流动速度，A为光敏接收单元的接收光面积﹐QUOTETCTC为光注入的积分时间。而且在光生电荷时刻的电荷会和前一个时刻的电荷相互累加。由此我们可以清楚地看到,入射光变得更强,积分的时间也就越长,所产生的光在电荷里越多。（2）电荷储存MIS电容由多晶硅栅和它下面的硅氧化层组成上半部分，下面是硅衬底，上下部分之间通过在两边加上适当的偏压，才可以有效地结合起来，共同组成一个MIS电容器，其结构如图2-3所示图2-3MIS电容结构以P型为分析对象，通过具体研究讨论其在不同的偏压下的MIS结构。在栅的附近加上一个负值的偏压，其内部的电子会在它的表面上大量聚集，导致它的费密集能带产生平滑的上抬现象。它产生的电场，会吸引其他地方的空穴，然后空穴慢慢积累，浓度变得越来越大，就会形成堆积。这个堆积的位置区域就称为载流子堆积区。如图2-4(a)所示。图2-4不同偏置下理想MIS能带图例如,当在一个电子栅极附近处施加小的正偏向电压时,表面部分的所有空穴可能会沿导带下弯,空穴被多数载重交流物流子排斥后回到体内,在每个表面部分处会留下一个分别带有正负偏向电荷的可接受主作用离子,这种正常情况可能是由于存在表面部分下弯处多数载重物流子被迅速耗尽的一种正常情况,称为载流耗尽离子区,表面部分处被耗尽的离子层数和宽度可能会因偏向电压的不断增加而逐渐扩大变宽,如上图中的图2-4(b)所示。当上述过程中正值偏压持续加强,会造成它的费密集能带相对于他自己体内的能带发生了向下压的走向。如上图中的2-4(c)所示。当它的走向一直到了一个禁止能带的末端中央费米能带,即费米能带等级间的距离导致能带的末端底点相比价比能带顶点还要靠得远。此时,衬底和另一个反省层之间仍然可能存在一个耗尽层,耗竭的衬底层数和宽度也不再一定会因为衬底外加的极性栅极层压力逐渐增大而变得有所轻微增涨,这时的这种状态我们一般称他为“强反型”,MIS电容器也就经过这样的一系列过程，成功达到了热平衡状态。出现这种“强反型”的条件如式（2-2）所示：QUOTEφs=2×Ei-E其中，QUOTEφsφs为表面势，相应的栅电压称为MIS电容器的阈值电压，QUOTEφFφF称为衬底的费米势，其表达式如（2-3）所示：QUOTEφF=kTqIQUOTENANA为衬底受主浓度，QUOTEnini为本征载流子浓度。上述内容所主要论述的是反型情况的热平衡状态。但是，MIS电容器在一定温度下想要达到一定的热平衡态需要一段时间，所需要的时间如式（2-4）所示：QUOTET=2τ0NAn其中QUOTEτ0τ0为耗尽区少子寿命。慢慢的这些位置逐步被剩余电子层所填充,耗尽的电子层将可能会逐渐变狭窄,表面运动趋势可能会逐渐减小,势阱也可能会逐渐变浅。例如,当被大量电子引力填充的磁性半导体在其表面上的势力值下降至其二倍时，其中的势阱就会被昌盛的电荷填满，这个器件就有可能会随着这个状态慢慢变回原来的热平衡。（3）电荷转移当施加在MIS电容元器件上的脉冲电压值越高，其产生的各个电子势阱也就越深，MIS电容器可以直接使那些能够直接形成存储的脉冲电荷的容量变得更大。这些通过信号刺激产生的光电荷，会在其中的势阱中进行转移，一步一步的转移到输出的位置。这个过程可以顺利完成的前提是提供给电容元器件的脉冲需要满足相位要求，否则这个过程无法正常进行。这样做是为了让产生的反应电荷可以沿着一个方向一直运动直至输出，有利于我们对于检测的分析。（4）电荷读出电荷读出是本器件的最重要的一个部分，因为如果无法读出信号输出，那么将毫无意义。这部分是链接器件与输出处理电路的媒介，主要是将信号转化成容易被我们使用检测的电压或电流信号，并发出输送到器件后续的处理电路中进行信号处理。电荷读出有两种方法，一种方法是电流读出，另一种方法是电压读出。当选择使用电流读出方法时，后面的复位控制极RG和复位扩散电极RD不用。只要将负载电阻一端放置在驱动输出的电源扩散极OD中接一个负载电阻,电阻的另外侧一端即可连接输入到驱动电源的输出正极,使电源扩散极的结构可进入相对逆偏置的状态。信号的发射电荷(也被称为发射电子)一旦发射到达一个扩散的束结便被电子收集,同时也可能会在外部各个发射回路内部共同产生一个相应的发射电流。通过直接测量负载电阻上的驱动压力和负载电荷上的变动便可以知道通过该电路到达的压力电荷变动有多少。输出控制极OG可以用来扩增控制通过收集信号得到的输出电荷的数量,其常用扩增设计是附加一个固定的输入偏压,并且远远地大于一个开始输入电压,但却远远低于输出扩散极OD的电压。电流读取操作方法虽然比较简单，但是在CCD电极下的电荷量很小，满阱的自由电荷量还不到10-12C。信号输出电荷通过信号输出端的扩散极OD输出来直接产生一个信号输出阻抗电流ID，其电流大小和它所注人的信号输出电荷的量大小成正比，而与阻抗电阻R的大小则呈现反比例关系，电阻R是被制作在CCD内的电阻，它的阻抗的阻值是一个常数。所以输出电流ID与被注入到CCD中的电荷量呈现一个线性化的关系，且随时间积分如式（2-5）所示QUOTEQIP=IDdt在用电压读出方式时，输出扩散极OD接MOS管的栅极，扩散极不再加偏压和串联电阻，没有直流通路。所以很容易检测少量电荷。1.2设计的总体方案在前文分析了检测装置各类别的优缺点以后，结合研究装置的要求，决定使用线阵CCD来完成此次的毕业设计方案。通过对线阵CCD的工作原理的了解，制定了以下设计方案。将线阵CCD的电路，后续的处理电路进行集成，在图2-5中用线阵CCD检测传感器来进行简便的代表。具体的实验方法如下：先进行总体的方案设计：在本检测带材的两侧分别放置一部分装置，两侧装置对称，分别由多个红外发光二极管组成的光源发生装置，一个光学透镜作为聚光装置和一个检测传感器的集成板子构成，如图2-5所示。图2-5总体设计示意图检测的原理为，当光线从发光二极管发出后，经过