电荷耦合器件.ppt

1、第八章 电荷耦合成像器件,固体成象器件就不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图象的转换及电子束按顺序进行扫描就能获得视频信号，即器件本身就能完成光学图象转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程。,1970年由贝尔实验室的贝埃尔（Boyle）和史密斯（Smith）提出来的一种MOS结构的新型器件电荷耦合器件（CCD：charge couple Device）。 CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件(简称SCCD)；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋

2、沟道电荷耦合器件(简称BCCD)。,一、结构 电荷耦合器件简称CCD，从结构上讲，它是由许多小MOS电容组成。 MOS电容即金属（Metal）-氧化物(Oxidation)-半导体(Seminconductor)构成的电容器，常称为MOS电容，或MOS结构。,（a）MOS电容器；（b）一般电容器,二、电荷存储,在栅极G施加正偏压UG之前p型半导体中空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加上偏压UG(此时UG小于p型半导体的阈值电压Uth)后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。 当UGUth ，半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势)变得如此之高以致于将

3、半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。 反型层电荷的存在证明MOS结构有存储电荷的功能。,然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立起反型层。在在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上,三、电荷耦合原理 CCD工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入的方法向势阱注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出去，这一过程叫做CCD的电荷转移，它是靠各个MOS的栅极在时钟电压作用下，以电荷耦

4、合方式实现的。,外加在栅极上的电压愈高，表面势越高势阱越深，若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。,假定开始时有一些电荷存储在偏压为10v的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压。 (a)为零时刻(初始时刻)，经过t1时刻后，各电极上的电压变为（b），第一个电极仍保持为10v，第二个电极上的电压由2v变到10v因这两个电极靠得很紧，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。,若此后电极上的电压变为如图(d)所示。第一个电极电压由10v变为2v，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中。

5、由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。,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。常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。 CCD的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图中的CCD称为三相CCD,三相CCD的电荷耦合(传输)方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移.,CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下，如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，CCD使不能在外部脉冲作用下正常工作。,四、CCD的电极

6、结构 CCD电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构和信号检测结构，我们讨论转移电极结构，最早的CCD转移电极是用金属(一般用铝)制成的。,CCD的电荷转移信道有两种形式，即表面转移信道和体内（或埋沟）转移信道。采用表面信道的CCD，称为表面CCD，简称SCCD，采用埋沟信道的CCD，称为埋沟CCD，简称BCCD。,3BCCD和SCCD之间的区别 BCCD中传递信息的电子是N层中的多子，而后者是P层中的少子。 SCCD中的信息电荷集中在界面处很薄的反型层中，而BCCD的信息电荷集中在体内Z平面附近，BCCD处理电荷的能力比SCCD约小一个数量级。 BCCD转移损失比SCCD

7、小12个数量级，具有高的转移效率。 BCCD转移速度高（三相BCCD器件可工作于300MHz时钟频率下，与SCCD相比较，上限提高了一个数量级）。 BCCD最大优点是低噪声，这主要是由于消除了信号电子与表面态间的相互作用。低噪声加上高的转换效率使得BCCD成为 低照度下的理想摄像器件。,从上面分析可知，CCD中电荷的存储和传输是通过各电极上加不同的电压实现的。电极的结构如按所加脉冲电压相数来分，则可分为二相、三相、四相电极结构形式。,五、电荷注入 在CCD中，电荷注入的方法可分为光注入和电注入两类。 1光注入 当光照射到CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载梳子被栅极电压

8、排开少数载流了则被收集在势阱中形成信号电荷;光注入方式又可分为正面照射式与背回照射式,2、电注入 所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电历或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多、这里仅介绍两种常用的电流注入法和电压注入法。,电荷耦合成像器件,电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄象器件，电荷耦合摄象器件可分为一维(线阵)的和二维(面阵)两种，它们的功能都能把二维光学图象信号转变成一维视频信号输出。它们的原理是： 首先用光学成像系统(光学镜头)将被摄的景物图象成象在CCD的光敏面(光敏区)上，在每一个光敏单元(MOS电容器)的势阱中存贮与图象照度成正比的光生信号电荷完

9、成了光电转换和电荷的积累。然后，转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序地转移和输出，成为视频信号。,一、一维(线阵)CCID 图为一维CCID结构原理图。是单排结构，它包括光敏区和移位寄存区(转移区)两部分。移位寄存区被遮挡，每一光敏单元与移位寄存区之间用转移栅隔开，转移栅的作用是控制光敏单元所积累的光生信号电荷向移位寄存器转移。转移时间小于光照光敏区(光积分)的时间。,简单的工作过程：转移栅关闭时。光敏区在光照时间内所积累信号电荷的多少与一行图象中每个光敏单元所对应的图象的光强成正比，当积分周期结束，转移栅打开，每一光敏单元势阱内的信号电荷并行地转移到移位寄存器相应的单元内；接

10、着转移栅关闭，光敏区开始对下一行图象信号进行积分。与此同时，移位寄存器将已转移到移位寄存器内的上行信号电荷，根据电荷传输过程输出视频脉冲信号。 这种结构的ccm转移次数多、效率低，只适用于光敏单元较少的摄负器件。,二、面阵电荷耦合成像器件(ACCID) 根据转移和读出的结构方式不同，有不同类型的面型摄像器件。不过，常用类型有两种：帧转移FT和行间转移ILT。 1帧/场转移结构(FT) 结构包括三部分：光敏区、暂存区和读出寄存器。,（1）光积分： 当外界景物成像投影到成像区时，在一相(或二相)电极上脉冲电压呈高电平情况下，另一相(或另两相)处于低电平，在一场时间内，光生信号电荷就被收集在这些电极

11、下的势阱中。在整个光敏区便形成了与光像对应的电荷图形。,（2）帧转移： 光敏区经过一场的积分时间后，光敏区和暂存区均处于帧转移脉冲作用下，在相当于垂直消隐期间内，光敏区的信号电荷平移到暂存区。在帧转移脉冲过后，光敏区驱动脉冲又处于(或转移)第二场光积分(呈高电平)，又处于光积分期间。 （3）行转移： 当光敏区处于第二场光积分期间，暂存区的驱动脉冲为行转移脉冲，在相当于水平消隐期间，暂存区将原来从光敏区平移来的信号按一行一行地转移到水平读出寄存器，直至暂存区最上面一行中的信号电荷进入读出寄存器中。,（4）位转移： 已进入读出寄存器的信号电荷，在相当于行正程期间，由水平时钟驱动下快速地一行接一行将一行内的电荷包一个个读出，在输出级得到视频信号。,2行间转移结构(ILT-CCD) 光敏元呈二维排列，每列光敏单元的右边是一个垂直移