《CCD工作原理》PPT課件.ppt

1、CCD成像技術(shù)及其在遙感中的應用第二章 CCD工作原理,郝志航,內(nèi)容,CCD工作過程 電荷的生成 電荷的收集 電荷包的轉(zhuǎn)移 電荷包的測量 CCD與CMOS比較 小結(jié),參考書 1 電荷耦合器件原理與應用王以銘 科學出版社 1987年 2 CCD Arrays Cameras and Displays Gerald C. Holst SPIE 1998,CCD的工作過程,此圖摘自 James Janesick “Dueling Detectors,CCD的性能很大程度上是由電荷圖像的生成決定的，CCD電荷圖像的生成是CCD工作最重要的過程之一,電荷的生成,CCD電荷圖像的生成過程就是光電轉(zhuǎn)換的過程

2、,CCD電荷圖像的生成機理是半導體的光電效應,CCD電荷圖像的生成理論是固體物理的能帶理論,硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu),半導體材料硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)屬于金剛石晶格:每個原子被四個最鄰近的原子所包圍。每個原子在外圍軌道有四個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子。這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵。每個電子對組成一個共價鍵，組成共價鍵的電子稱為價電子。價電子通常位于價帶，不能導電,電荷的生成 能帶理論復習,硅的能級圖,共價鍵示意圖,通過加熱或光照，處于價帶的電子可以被激發(fā)到導帶。把電子由價帶激發(fā)到導帶所需的能量要超過價帶與導帶之間的能隙Eg(硅的Eg1.12eV,砷化鎵的Eg1.42eV,photon,p

3、hoton,電荷的生成 能帶理論復習,電荷的生成,如果一個入射光子的能量(Eph)大于或等于這種材料導帶與價帶之間的能隙(Eg)，就可以把一個電子激發(fā)到導帶而成為自由電子。用公式表示如下,其中h為普朗克常數(shù)，為頻率，為波長，c是光速,2-1,2-2,電荷的生成,光電效應中有一個臨界波長（ ），定義為,當 時，光子沒有足夠的能量將電子由價帶激發(fā)到導帶。這時光子只是穿過這個材料。對于本征(intrinsic)硅有,這是CCD長波限制，短波如何,2-3,電荷的生成 能帶理論復習,電子一旦被激發(fā)到導帶，它就可以在單晶硅的晶格附近自由運動了。 電子離開后所形成的空穴成為一個帶正電的載流子。 在沒有外電場

4、的情況下，這樣的一對電子和空穴會在一定時間(復合壽命)內(nèi)將復合并湮滅。在CCD中，利用一個電場把這些載流子收集起來，防止他們的復合,如何收集電荷,電荷的生成 有關(guān)參數(shù),與CCD電荷生成過程有關(guān)的參數(shù)是量子效率(QE)和暗電流。 影響QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission) 等。 影響暗電流的因素主要是溫度,電荷的生成,理想情況下，電極材料應該是完全透明的，實際上這些材料對光都有一些吸收和反射。如多晶硅電極對短波光有較強的吸收和反射，減少了最終到達硅片的光子數(shù)量，如圖中1和2所表示的情況,x： 吸收 y ：復合,材料的吸收系數(shù)和反射

5、率與波長有關(guān)，在可見光波段，波長越短吸收系數(shù)和反射率越大,圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜,CCD短波限制 與結(jié)構(gòu)及材料有關(guān),厚型前照明 CCD,光在表面電極產(chǎn)生反射和吸收，使這種CCD的量子效率比較低，對藍光的響應非常差。其電極結(jié)構(gòu)不容許采用提高性能的增透膜技術(shù)。增透膜技術(shù)在薄型背照明CCD可以采用,電荷的生成 降低反射,硅片減薄到 15m左右，光線由背面射入，避免了電極對光線的阻擋，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作減反膜，短波響應將得到很大提高,薄型背照明 CCD,電荷的生成 降低反射,薄型CCD對近紅外光線幾乎透明，因此長波響應很差,空氣或真空的折射率為 1.0， 硅為 3

6、.6。利用上述方程式可以得出 在空氣中硅的反射率是 32%。除非采取適當?shù)拇胧┫@種反射，否則硅CCD只能探測到2/3的入射光子。增透膜可以解決這個問題,硅的折射率(ns)很高 ，很多入射光子會在其表面反射,在兩種不同折射率物質(zhì)的界面上光子的反射率為,2,電荷的生成 降低反射,空氣,硅,加入增透膜以后，有三種介質(zhì)需要考慮,ns x ni-nt,2,ns x ni+nt,2,2,反射率降為,電荷的生成 降低反射,右圖是 EEV 42-80 CCD的反射率曲線。這種薄型 CCD 是專為提高藍光譜響應設(shè)計的，其增透膜最佳工作波長為 400nm。在400nm 反射率下降到左右1,電荷的生成 降低反射

7、,提高量子效率最有效的方法是背照明,電荷的生成,深藍光(400nm)穿透深度或被吸收的平均深度離表面大約為0.2m見圖中的3,x： 吸收 y ：復合,圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜,電荷的生成,紅光(650nm)穿透深度或被吸收的平均深度離表面大約為3.33m，激發(fā)出的電子在收集區(qū)外生成，復合壽命長，熱擴散使這些電子被收集。見圖中的5,x： 吸收 y ：復合,圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜,電荷的生成,CCD硅表面下幾個m范圍內(nèi)晶格沒有缺欠，也沒有氧化物沉積，這個區(qū)域內(nèi)有很高的復合壽命；但是在硅襯底的其他部分(以及表面處)存在著大量的晶體缺欠，因此復合壽命非常低。波長長的光線在襯底中生

8、成電子的位置很深，那里的復合壽命很低，很容易復合.圖中6表示的就是這種情況,x： 吸收 y ：復合,圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜,電荷的生成,紅外光 (1250nm)波長超過臨界波長，不能激發(fā)光電子，見圖中的7,x： 吸收 y ：復合,圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜,電荷的生成 Foveon X3 Sensors,電荷的生成 Foveon X3 Sensors,The Foveon X3 Sensor,The Bayer-filter Image Sensor,電荷的生成,可以用量子效率計算響應度，響應度的單位是A/W或 。計算公式如下,其中， 是電子電荷， 是量子效率， 是像元有效

9、面積,2-4,2-5,電荷的生成,CCD的量子效率QE是波長的函數(shù) TH7834響應曲線,電荷的生成,各種不同CCD的量子效率的比較,思考： CCD的窗口玻璃影響性能嗎？為什么,電荷的收集,CCD工作過程的第二步是電荷的收集，是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。 為了收集電荷，必須制造一個收集區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量收集起來，而且保證所收集的電荷不被復合。 收集區(qū)：勢阱,電荷的收集 MOS 電容器,MOS 電容器是所有MOS(金屬-氧化物-半導體) 結(jié)構(gòu)中最簡單的，它是CCD的構(gòu)成基礎(chǔ)；弄清楚這種結(jié)構(gòu)的原理對理解CCD的工作原理是非常有用的。 MOS電容器有二種類型：表面溝

10、道和埋溝。 這二種類型MOS電容器的制造只有些微地不同；然而，由于埋溝電容結(jié)構(gòu)具有很多顯著的優(yōu)點，因此這種結(jié)構(gòu)成了CCD制造工藝的首選。事實上今天制造的所有CCD幾乎都利用埋溝結(jié)構(gòu),電荷的收集 MOS 電容器,埋溝電容是在 一個 p-型襯底上建造的；在p-型襯底表面上形成一個 n-型區(qū)(1m厚)； 然后，生長出一層薄的二氧化硅(0.1m厚)；再在二氧化硅層上用金屬或高摻雜的多晶硅制作電極或柵極；至此完成了MOS電容的制作,電子的勢能,q 是電子的電荷量，而為靜電勢,2-6,無偏置時， n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴散， p-型層內(nèi)含有多余的空穴并向n-型層擴散； 這個結(jié)構(gòu)與二極管結(jié)的結(jié)構(gòu)

11、完全相同。上述的擴散產(chǎn)生了內(nèi)部電場，在n-型層內(nèi)電勢達到最大,沿此線的電勢示于上圖,電勢,CCD厚度方向的截面圖,這種埋溝結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能使光生電荷離開CCD 表面，因為在CCD表面缺欠多，光生電荷會被俘獲。這種結(jié)構(gòu)還可以降低熱噪聲（暗電流,電荷的收集 MOS 電容器,電子勢能最小的地方位于n-型區(qū)內(nèi)并與硅 - 二氧化硅 (Si - SiO 2) 的交界面有一定距離,這個勢能最小(或電位最高) 的地方就是多余電子聚集的地方,CCD曝光時，每個像元有一個電極處于高電位 。硅片中這個電極下的電勢將增大，成為光電子收集的地方，稱為勢阱。其附近的電極處于低電位，形成了勢壘，并確定了這個像元的邊界。像元水

12、平方向上的邊界由溝阻確定,電荷的收集 MOS 電容器,電勢,電勢,勢能,勢能,CCD曝光時，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢阱里收集。隨著電荷的增加，電勢將逐漸變低，勢阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達到飽和。 勢阱能容納的最多電荷稱為滿阱電荷數(shù),電荷的收集 MOS 電容器,實際的埋溝結(jié)構(gòu) 埋溝結(jié)構(gòu)的兩邊各有一個比較厚(0.5-1.5m)的場氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的 p-型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢對柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢壘,電荷的收集 MOS 電容器,埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點是： 能在單一電極之下的一個局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勢阱； 能調(diào)整或控制柵極下面的勢能； 儲存電荷的位置

13、 (勢能最小處)離 Si- Si02 交界面有一定的距離； 低的暗電流使其能夠長時間的儲存信號電荷 (取決于工作條件可以從數(shù)十秒到數(shù)小時)； 所收集的電荷可以通過光照、電注入等產(chǎn)生； 能快速地將電荷從一個電極之下的一個位置轉(zhuǎn)移到下一個鄰近的電極下面，而且損失非常低,電荷的收集 MOS 電容器,像元邊界,電荷包,SiO2 絕緣層,電極結(jié)構(gòu),像元邊界,入射的光子,光子入射到CCD中產(chǎn)生電子空穴對， 電子向器件中電勢最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個電荷包對應一個像元,電荷的收集,電荷收集的效率與電勢的分布、復合壽命和擴散長度有關(guān),電荷的收集,復合壽命 由光子激發(fā)出的電子在重新躍遷回價帶(與空

14、穴復合)之前可以在硅晶格內(nèi)活動的時間是有限的。這個過程的時間常數(shù)稱為復合壽命，其大小取決于硅的質(zhì)量和摻雜的濃度。越長，信號電子被收集的可能性就越大，量子效率就越高,電荷的收集,擴散長度,為了使CCD中電子能夠通過擴散和漂移到達指定的收集區(qū)，可以通過特定的摻雜分布和電場分布設(shè)計來達到。這種設(shè)計的結(jié)果將提高探測器的量子效率,擴散長度表示光生電子復合前移動的平均距離。當電子是在復合壽命很長的區(qū)域內(nèi)生成，但是它必須移動到指定的收集區(qū)去時，這個電子是否能夠被收集取決于它向制定區(qū)域運動的機制,電荷的轉(zhuǎn)移,CCD工作過程的第三步是電荷包的轉(zhuǎn)移，是將所收集起來的電荷包從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包

15、輸出完成的過程,下面通過類比說明 CCD 收集、轉(zhuǎn)移和測量電荷的過程,小盆,虹吸泵,雨水量筒,CCD的工作過程類比說明,每個小盆接到的 雨水數(shù)量不同,類比中，雨滴表示光子； 收集的雨水表示CCD探測的電荷; 小盆表示像元，小盆的深度表示每個像元可以容納多少電荷； 虹吸泵表示CCD的移位寄存器； 雨水量筒表示CCD的輸出放大器,CCD的工作過程類比說明,先將雨水向左移動,首先，最左邊一行接雨水的小盆將所接的雨水通過虹吸泵轉(zhuǎn)移到與雨水量筒排成一排的一行小盆（讀出寄存器)中,為了測量每個小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵將每個小盆中的雨水向雨水量筒轉(zhuǎn)移,CCD的工作過程類比說明,倒空量筒,然后將最靠近

16、量筒小盆中的雨水通過虹吸泵導入量筒中測量它的數(shù)量。 每次測量完成以后，都要將量筒倒空，準備下一次測量,圖示的狀態(tài)是一次測量后的狀態(tài),CCD的工作過程類比說明,又一次測量結(jié)束,倒空量筒,CCD的工作過程類比說明,倒空量筒,一行電荷測量結(jié)束,CCD的工作過程類比說明,重復上述轉(zhuǎn)移測量的過程，直到所有小盆中雨水的數(shù)量都測量完畢。 準備好進行下一次開始接雨水（曝光,CCD的工作過程類比說明,在由一個小盆(像元)將水(電荷包)轉(zhuǎn)移到下一個小盆(像元)的過程中，總是有一些損失。描述這個損失的參數(shù)稱為電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE) ，定義為一次轉(zhuǎn)移中正確轉(zhuǎn)移電荷的百分比,電荷的轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)移效率,在上述類比中，最遠的一

17、個小盆的水轉(zhuǎn)移了6次，如果 0.99，那末這盆水輸出時，剩下原來水量的94。如果轉(zhuǎn)移100次，就剩下原來水量的37了,2-7,在串行寄存器中的電極每隔3個連在一起,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,一個像元,溝阻，定義了圖像區(qū)的列,透明水平電極，在垂直方向上定義了像元，該電極用于轉(zhuǎn)移電荷。每相隔3個的電極通過芯片邊緣的總線連接在一起,平面圖,截面圖,圖示為 CCD成像區(qū)的一小部分（幾個像元）。圖像區(qū)中這個圖案是重復的,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過程,CCD中實現(xiàn)電荷包轉(zhuǎn)移的實際過程,電荷包的轉(zhuǎn)移是通過變換CCD電極電壓來完成的。下列圖中，標注紅色的電極為高電勢

18、，標注黑色的電極為低電勢,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,時間滑尺,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,當?shù)谝粋€電荷包由右邊移出時，下一個電荷包由左邊移入,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的轉(zhuǎn)移 三相CCD,電荷的測量,CCD工作過程的第四步是電荷的測量，是將轉(zhuǎn)移到輸出級的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號的過程,OD,OS,RD,SW,輸出節(jié)點,襯底,輸出 FET,復位 FET,相加阱,串行寄存器電極,典型 CCD 片內(nèi)放大器的顯微照片和片內(nèi)放大器的線路圖,電荷的測量,5V 0V -5V,10V 0V,SW,Vout,當電荷包移至串行寄

19、存器的末端時，片內(nèi)輸出節(jié)點電容和輸出管(放大器)對電荷包進行測量。相加阱起到隔離串行寄存器與輸出浮置擴散（FD）的作用,OD,OS,RD,SW,復位 FET,相加阱,串行寄存器的末端,Vout,電荷的測量,測量過程由復位開始。復位會把前一個電荷包的電荷清除掉,輸出 節(jié)點,輸出 FET,OD,OS,RD,SW,5V 0V -5V,10V 0V,SW,Vout,Vout,電荷輸送到相加阱。 Vout 現(xiàn)在是參考電平,在這個期間，外部電路測量參考電平,輸出節(jié)點,相加阱,串行寄存器的末端,電荷的測量,輸出 FET,復位 FET,OD,OS,RD,SW,Vout,把電荷輸送到輸出節(jié)點電容， Vout 下

20、降到信號電平,串行寄存器的末端,輸出節(jié)點,相加阱,電荷的測量,輸出 FET,復位 FET,外部電路對 Vout 進行采樣，所采樣的Vout 電平與輸入電荷包中電荷的多少成正比,OD,OS,RD,SW,Vout,串行寄存器的末端,輸出節(jié)點,相加阱,電荷的測量,輸出 FET,復位 FET,電荷的測量,為了進行性能分析，利用等效電路說明,現(xiàn)在CCD輸出結(jié)構(gòu)中，相加阱被輸出柵代替，作用相同,復位FET用開關(guān)等效，輸出節(jié)點電容用電容等效。 該電容的典型值都小于 0.1pF 。 根據(jù) V = Q/C, 這個電容的兩端將產(chǎn)生與這個電荷包電荷量成比例的電壓，也是某個特定像元入射光強度成比例的電壓。Vout = GQm/Cs 2-8,電荷的測量 等效電路,Cs= 0.1pF 一個電子電荷1.6V,輸出信號： 1 復位脈沖過沖 2 參考電平 3 信號電平,G:輸出FET增益(10.8,電荷的測量 等效電路,CCD信號電平是浮起來的，真正的信號是信號電平與參考電平之差,復位管不是理想開關(guān)，存在導通電阻。這個電阻的熱噪聲在復位時會通過節(jié)點電容疊加到信號上輸出形成復位噪聲,電荷的測量,還有輸出管的閃爍(1/f)噪聲以及輸出電阻的熱噪聲，一起構(gòu)成CCD讀出噪聲。在讀出噪聲中起主要作用的是復位噪聲,復位噪聲計算： 導通電阻熱噪聲 k: 波爾茨曼常數(shù)，T:絕對溫度，B:帶寬 C