電荷耦合器件

1、 電荷耦合器件，又稱電荷耦合器件，又稱CCDCCD圖象傳感器，是一種大圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件電荷耦合器件。具有光電轉規(guī)模集成電路光電器件電荷耦合器件。具有光電轉換，信息存儲、延時、傳輸、處理等功能。換，信息存儲、延時、傳輸、處理等功能。 特點：集成度高、尺寸小、電壓低（特點：集成度高、尺寸小、電壓低（DC7DC712V12V）、）、功耗小。功耗小。 該技術的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型該技術的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型化，應用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)化，應用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個領域。業(yè)、軍用等各個領域?；诨贑CDCC

2、D光電耦器件的輸入光電耦器件的輸入設備：數(shù)字攝像機、數(shù)字相設備：數(shù)字攝像機、數(shù)字相機、平板掃描儀、指紋機機、平板掃描儀、指紋機圖象傳感器發(fā)展趨勢 CCD CCD基本結構分兩部分：基本結構分兩部分： MOSMOS（金屬（金屬氧化物氧化物半導體）半導體） 光敏元陣列；光敏元陣列； 讀出移位寄存器。讀出移位寄存器。電荷耦合器件是在半導體硅片上電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半一個光敏元又稱一個像素，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。陣有規(guī)則地排列。CCDCCD結構示意圖結構示意圖

3、顯微鏡下的MOS元表面v 電荷存儲原理：電荷存儲原理：當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱勢阱”。有光線入射到硅。有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生片上時，光子作用下產(chǎn)生電子電子空穴對，空穴被電空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強度成正比。光強度成正比。一個一個MOSMOS光敏元結

4、構光敏元結構 一個一個MOSMOS結構元為結構元為MOSMOS光敏元光敏元或或一個一個像素像素，把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；電荷包； CCDCCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，元，每個金屬電極加電壓，就形成成百上千個勢阱；每個金屬電極加電壓，就形成成百上千個勢阱； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應的光生那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應的光生電荷圖象。電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應基本原理。這

5、就是電荷耦合器件的光電物理效應基本原理。26526518018013313390906666454533332222分辨率不同的圖象比較分辨率不同的圖象比較在在MOS電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半導體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成導體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢阱勢阱”的運動，的運動，進而達到信號電荷（少數(shù)載流子）的轉移。進而達到信號電荷（少數(shù)載流子）的轉移。 圖像傳感器：轉移的信號電荷是由光像照射產(chǎn)生；圖像傳感器：轉移的信號電荷是由光像照射產(chǎn)生；若所轉移的電荷通過外界諸如方式得到，則其可以若所轉移的電荷通過外界諸如方式得到，則其可以具備延時、信號處理、

6、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運算等功具備延時、信號處理、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運算等功能。能。上一頁下一頁返 回光電耦合器演示的形成勢阱4.3.1 電荷耦合器件的結構和工作原理電荷耦合器件的結構和工作原理4.3.2 CCD圖像傳感器圖像傳感器4.3.3 圖像傳感器的應用圖像傳感器的應用上一頁下一頁返 回lCCD是一種半導體器件是一種半導體器件 圖圖4.3.1 MOS電容的結構電容的結構1金屬電極金屬電極 2絕緣層絕緣層SiO2上一頁下一頁返 回Ec導帶底能量導帶底能量Ei禁帶中央能級禁帶中央能級Ef費米能級費米能級Ev價帶頂能量價帶頂能量 平帶條件：平帶條件：當當MOS電容的極板上無外加電壓時，在理想情況下，半

7、導體從電容的極板上無外加電壓時，在理想情況下，半導體從體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶(代表電子的能量代表電子的能量)從表面到從表面到內(nèi)部是平的。內(nèi)部是平的。 上一頁下一頁返 回(a)柵壓柵壓UG較小時，較小時，MOS電容器處于耗盡狀態(tài)。電容器處于耗盡狀態(tài)。 (b)柵壓柵壓UG增大到開啟電壓增大到開啟電壓 Uth時時 ,半導體表面的費米能級半導體表面的費米能級 高于禁帶中央能極高于禁帶中央能極, 半導體表面上的電子層稱為反型層。半導體表面上的電子層稱為反型層。 上一頁下一頁返 回l當當MOS電容器柵壓大于開啟電壓電容器柵壓大于開啟電壓UG，周圍電子迅速地，周圍電

8、子迅速地聚集到電極下的半導體表面處，形成對于電子的勢阱。聚集到電極下的半導體表面處，形成對于電子的勢阱。 勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱填滿：電子在半導體表面堆積后使平面勢下降。勢阱填滿：電子在半導體表面堆積后使平面勢下降。 上一頁下一頁返 回lCCD的基本功能是存儲與轉移信息電荷的基本功能是存儲與轉移信息電荷l為實現(xiàn)信號電荷的轉換為實現(xiàn)信號電荷的轉換： 1、必須使、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰、控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調節(jié)勢阱

9、深電容柵極電壓高低來調節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。3、在、在CCD中電荷的轉移必須按照確定的方向。中電荷的轉移必須按照確定的方向。 上一頁下一頁返 回l在在CCD的的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為電荷為一單元的無限循環(huán)結構。每一單元稱為一位，將每一單元的無限循環(huán)結構。每一單元稱為一位，將每位中對應位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，位中對應位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。此共同電極稱相線。一位一位CCD中含的電容個數(shù)即為中含的電容個數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極的相數(shù)。每

10、相電極連接的電容個數(shù)一般來說即為連接的電容個數(shù)一般來說即為CCD的位數(shù)。的位數(shù)。通常通常CCD有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。當這種時序脈沖加到當這種時序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結構上時，將實的無限循環(huán)結構上時，將實現(xiàn)信號電荷的定向轉移?，F(xiàn)信號電荷的定向轉移。 上一頁下一頁返 回三相三相CCD信息電荷傳輸原理圖信息電荷傳輸原理圖 上一頁下一頁返 回 電荷轉移原理（讀出移位寄存器）電荷轉移原理（讀出移位寄存器） 光敏元上的電荷需要經(jīng)過電路進行輸出，光敏元上的電荷需要經(jīng)過電路進行

11、輸出，CCDCCD電荷電荷 耦合器件是以電荷為信號而不是電壓電流。耦合器件是以電荷為信號而不是電壓電流。 讀出移位寄存器也是讀出移位寄存器也是MOSMOS結構，由金屬電極、氧化結構，由金屬電極、氧化 物、半導體三部分組成。物、半導體三部分組成。 它與它與MOSMOS光敏元的區(qū)別在于，半導體底部覆蓋了一光敏元的區(qū)別在于，半導體底部覆蓋了一 層遮光層，防止外來光線干擾。層遮光層，防止外來光線干擾。 由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元；由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元； 在三個電極上分別施加脈沖波三相時鐘脈沖在三個電極上分別施加脈沖波三相時鐘脈沖 123123。 當當t = t1t = t1時

12、刻，時刻，11電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷當當t = t2t = t2時刻，兩個勢阱形成大的勢阱存入光電荷。時刻，兩個勢阱形成大的勢阱存入光電荷。當當t = t3t = t3時刻，時刻，11中電荷全部轉移至中電荷全部轉移至22。當當t = t4t = t4時刻，時刻，22中電荷向中電荷向33勢阱轉移。勢阱轉移。當當t = t5t = t5時刻，時刻，33中電荷向下一個中電荷向下一個11勢阱轉移勢阱轉移。 讀出移位寄存器三相時鐘脈沖讀出移位寄存器三相時鐘脈沖 CCD在用作信號處在用作信號處理或存儲器件時，理或存儲器件時，電荷輸入采用電注電荷輸入采用電注入。入。 CCD通過輸入

13、通過輸入結構對信號電壓或結構對信號電壓或電流進行采樣，將電流進行采樣，將信號電壓或電流轉信號電壓或電流轉換為信號電荷。換為信號電荷。 l 上一頁下一頁返 回光信號注入光信號注入 CCD用作固態(tài)圖像傳感器時, 接收的是光信號, 即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片表面時, 在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對, 其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進入襯底, 而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱中, 形成信號電荷, 并存儲起來。存儲電荷的多少正比于照射的光強背面光注人(a) 選通電荷積分輸出電路選通電荷積分輸出電路 (b) 驅動時鐘波形和輸出波形驅動時鐘波形和輸出波形CCD的信號輸出結構的信號輸出結構

14、 上一頁下一頁返 回l利用利用CCD的光電轉移和電荷轉移的雙重功能，的光電轉移和電荷轉移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在從而將照射在CCD上的光學圖像轉移成了電信上的光學圖像轉移成了電信號號“圖像圖像”。l由于由于CCD能實現(xiàn)低噪聲的電荷轉移，并且所有能實現(xiàn)低噪聲的電荷轉移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的好的致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。性能。lCCD圖像傳感器有圖像傳感器有線列和面陣線列和面陣上一頁下一頁返 回1

15、CCD轉移寄存器轉移寄存器 2轉移控制柵轉移控制柵 3積蓄控制電極積蓄控制電極 4PD陣列陣列 SH轉移控制柵輸入端轉移控制柵輸入端 RS復位控制復位控制 VOD漏極輸出漏極輸出 OS圖像信號輸出圖像信號輸出 OG輸出控制柵輸出控制柵線型圖像傳感器結構線型圖像傳感器結構上一頁下一頁返 回(a)x-y 選址選址 (b)行選址行選址 (c)幀場傳輸式幀場傳輸式 (d)行間傳輸式行間傳輸式上一頁下一頁返 回(a)x-y 選址選址 (b)行選址行選址 (c)幀場傳輸式幀場傳輸式 (d)行間傳輸式行間傳輸式光電耦合器演示 對不同型號的對不同型號的CCDCCD器件而言，其工作機理是相同器件而言，其工作機理

16、是相同的。的。 不同型號的不同型號的CCDCCD器件具有完全不同的外型結構和器件具有完全不同的外型結構和驅動時序，在實際使用時必須加以注意。驅動時序，在實際使用時必須加以注意。 我們可以通過器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索我們可以通過器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索取相關資料，為取相關資料，為CCDCCD器件的應用提供技術支持。器件的應用提供技術支持。 CCDCCD產(chǎn)品產(chǎn)品以以TCD142DTCD142D型型CCDCCD為例做簡單介紹，其它型號的器件為例做簡單介紹，其它型號的器件大同小異。大同小異。TCD142DTCD142D是一種具有是一種具有20482048位像元的兩相線陣位像元的兩相線陣CCDC

17、CD器件，器件，TCD142DTCD142D有有2222個引腳，其中個引腳，其中1212個是空腳；個是空腳；1A1A、2A2A、1B1B、2B2B 均為時鐘端，均為時鐘端，SHSH為轉移柵，為轉移柵， RSRS為復位柵，為復位柵，OSOS為信號輸為信號輸 出端，出端，DOSDOS為補償輸出端，為補償輸出端， SSSS為地，為地，NCNC空閑?？臻e。TCD142DTCD142D引腳引腳 TCD142D TCD142D的驅動電路可分為兩部分：的驅動電路可分為兩部分： 一部分是脈沖產(chǎn)生電路；一部分是脈沖產(chǎn)生電路； 另一部分是驅動電路。另一部分是驅動電路。脈沖電路產(chǎn)生脈沖電路產(chǎn)生HSHS、11、22、

18、RSRS四路脈沖四路脈沖 由非門及晶體振蕩器構成的晶體振蕩電路輸出頻由非門及晶體振蕩器構成的晶體振蕩電路輸出頻率為率為4MHz4MHz的方波；的方波；經(jīng)經(jīng)JKJK觸發(fā)器分頻，得到頻率為觸發(fā)器分頻，得到頻率為2MHz2MHz的方波，將的方波，將4MHz4MHz與與2MHz2MHz脈沖相與，形成脈沖相與，形成RSRS脈沖。脈沖。將將RSRS經(jīng)經(jīng)JKJK觸發(fā)器分頻，產(chǎn)生頻率為觸發(fā)器分頻，產(chǎn)生頻率為1MHz1MHz的的11脈沖，脈沖，11脈沖送入分頻器；脈沖送入分頻器；經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉移脈沖經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉移脈沖SHSH，并且使，并且使SHSH周周期期TSHTSH1061s1061s；將將SHSH和和

19、11相與產(chǎn)生相與產(chǎn)生2,1=22,1=2，至此，就，至此，就產(chǎn)生了四路脈沖。產(chǎn)生了四路脈沖。將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加加速將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加加速電路送至電路送至H0026H0026驅動器，放大至一定量以后驅動器，放大至一定量以后用以驅動用以驅動TCD142DTCD142D。 CCDCCD傳感器應用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導傳感器應用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學元件結合，主纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學元件結合，主要用來裝配輕型攝像機、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。要用來裝配輕型攝像機、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。CCDCCD應用技術是光、機、電

20、和計算機相結合的高新技應用技術是光、機、電和計算機相結合的高新技術，作為一種非常有效的非接觸檢測方法，術，作為一種非常有效的非接觸檢測方法，CCDCCD被廣泛用于再線檢測尺寸、位移、速度、定位和被廣泛用于再線檢測尺寸、位移、速度、定位和自動調焦等方面。自動調焦等方面。利用利用CCDCCD測量幾何量，測量幾何量，CCDCCD誕生后，首先在工業(yè)檢測誕生后，首先在工業(yè)檢測中制成測量長度的光電傳感器，物體通過物鏡在中制成測量長度的光電傳感器，物體通過物鏡在CCDCCD光敏元上造成影像，光敏元上造成影像，CCDCCD輸出的脈沖表征測量輸出的脈沖表征測量工件的尺寸或缺陷；工件的尺寸或缺陷；用于傳真技術，文

21、字、圖象識別。例如用用于傳真技術，文字、圖象識別。例如用CCDCCD識別集識別集成電路焊點圖案，代替光點穿孔機的作用；成電路焊點圖案，代替光點穿孔機的作用；自動流水線裝置，機床、自動售貨機、自動監(jiān)視裝自動流水線裝置，機床、自動售貨機、自動監(jiān)視裝置、指紋機；置、指紋機；CCDCCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機或像敏器件，固態(tài)圖像傳感器作為攝像機或像敏器件，取代攝像裝置的光學掃描系統(tǒng)（電子束掃描），取代攝像裝置的光學掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價廉、工作電與其它攝像器件相比，尺寸小、價廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓壓低、功耗小，且不需要高壓; ;作為機器人視覺系統(tǒng)；作為機

22、器人視覺系統(tǒng)；M2AM2A攝影膠囊（攝影膠囊（Mouth anusMouth anus）, ,由發(fā)光二極管做由發(fā)光二極管做光源，光源，CCDCCD做攝像機，每秒鐘兩次快門，信號做攝像機，每秒鐘兩次快門，信號發(fā)射到存儲器，存儲器取下后接入計算機將圖發(fā)射到存儲器，存儲器取下后接入計算機將圖像進行下載。像進行下載。 測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機械加工測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機械加工的軸類或桿類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁的軸類或桿類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。厚的測量為例。玻璃管玻璃管CCDCCD視頻信號視頻信號測量原理測量原理: : 在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)

23、過程中，總是需要不斷測在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結果對生量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結果對生產(chǎn)過程進行調整，以便提高產(chǎn)品質量。產(chǎn)過程進行調整，以便提高產(chǎn)品質量。 玻璃管的平均外徑玻璃管的平均外徑12mm,12mm,壁厚壁厚1.2mm,1.2mm,要求測量要求測量精度為外徑精度為外徑0.1mm,0.1mm,壁厚壁厚0.05mm0.05mm。利用。利用CCDCCD配合配合適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)，對玻璃管相關尺寸進行實時監(jiān)測，適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)，對玻璃管相關尺寸進行實時監(jiān)測， 用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸

24、影像投影在在CCDCCD光敏像元陣列面上。光敏像元陣列面上。 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚像。壁厚像。 成像物鏡的放大倍率為成像物鏡的放大倍率為，CCDCCD相元尺寸為相元尺寸為t t，上壁厚、下壁厚分別為上壁厚、下壁厚分別為n1n1、n2 n2 ，外徑尺寸的脈沖，外徑尺寸的脈沖數(shù)（即像元個數(shù)）為數(shù)（即像元個數(shù)）為N N，測量結果有：，測量結果有： 1122/dnt

25、dn tDN t 分別為上壁厚、分別為上壁厚、下壁厚，外徑尺寸。下壁厚，外徑尺寸。 1d2dD實例實例2 2： 實例實例3 3： 1尺寸測量尺寸測量2 用于光學文字識別裝置用于光學文字識別裝置上一頁下一頁返 回被測對象長度被測對象長度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 視場視場l2傳感器的長度傳感器的長度上一頁下一頁返 回光學文字識別裝置光學文字識別裝置(OCR)原理原理 上一頁返 回電荷轉移原理（讀出移位寄存器）電荷轉移原理（讀出移位寄存器）讀出移位寄存器結讀出移位寄存器結構構 電荷轉移原理電荷轉移原理 這一傳輸過程依次下去，信號電荷按設計好的這一傳輸過程依次下去，信號電荷按設計

26、好的方向，在時鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉移到方向，在時鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉移到另一端。另一端。 這樣一個傳輸過程，實際上是一個這樣一個傳輸過程，實際上是一個電荷耦合過電荷耦合過程程，所以稱電荷耦合器件，擔任電荷傳輸?shù)膯卧苑Q電荷耦合器件，擔任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器稱移位寄存器。CCDCCD信號電荷的輸出的方式主要有信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出電流輸出、電壓輸出兩種兩種, ,以電壓輸出型為例：以電壓輸出型為例： 有浮置擴散放大器（有浮置擴散放大器（FDAFDA）、浮置柵放大器（）、浮置柵放大器（FGAFGA） 由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管VT2VT2的柵的柵極電位：極電位：/outFDUQ C式中，式中，F(xiàn)DC為浮置擴散節(jié)點上的總電容為浮置擴散節(jié)點上的總電容。 輸出信號電壓為輸出信號電壓為 ：1mLoutmLgRUUgR 式中，式中，mg為為MOSMOS管管VT1VT1柵極與柵極與源極之間的跨源極之間的跨導導。 復位管復位管VT1VT1導通，導通，VT2VT2的溝道抽走浮置擴散區(qū)的剩余電的溝道抽走浮置擴散區(qū)的剩余電荷，直到下一個時鐘周期信號到來如此循環(huán)下去荷，直到下一個時鐘周期信號到來如此循環(huán)下去。 單單溝道溝道CCDCCD驅驅動動