CCD基本工作原理課件

教學(xué)進度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本工作原理典型面陣ICCD視頻信號處理及計算機數(shù)據(jù)采集圖像傳感器的典型應(yīng)用典型線陣ICCD圖像傳感器基本原理及電視制式教學(xué)進度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本1第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出特點：以電荷為信號載體；CCD的基本功能：電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移；CCD圖像傳感器的基本工作過程：光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成信號電荷）電荷的儲存（存儲信號電荷-光積分）電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號電荷）電荷的檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號）光電二極管FD放大器CCD第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出2CCD的工作過程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷收集4電荷轉(zhuǎn)移5電荷測量視頻輸出CCD的工作過程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷存儲電荷耦合CCD電極結(jié)構(gòu)電荷注入和檢測CCD特性參數(shù)電荷耦合攝像器件：工作原理、特性參數(shù)第五講CCD圖像傳感器基本工作原理電荷存儲第五講CCD圖像傳感器基本工作原理4一、電荷存儲——光電轉(zhuǎn)換得到的信號電荷怎么存儲？信號電荷以何種機制儲存？信號電荷是空穴還是電子？——CCD多用電子利用電子可以被高電勢所吸引的性質(zhì)。

在光電二極管中，不管用什么方法只要做出高于周圍電勢的部分，信號電荷(電子)就可以在此集中儲存。

電勢阱：儲存信號電荷的電勢分布狀態(tài)為了存儲電荷必須制造一個存儲區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量收集起來，而且保證所收集電荷不被復(fù)合。一、電荷存儲——光電轉(zhuǎn)換得到的信號電荷怎么存儲？信號電荷以5MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS單元組成，它具有存儲和轉(zhuǎn)移信息的能力，故又稱為動態(tài)移位寄存器。

MOS電容器有二種類型：表面溝道和掩埋溝道。這二種類型MOS電容器的制造只有些許不同；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)。

CCD的構(gòu)成基礎(chǔ)：MOS電容器(Metal-Oxide-Semiconductor)

金屬-氧化物-半導(dǎo)體

MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS6

MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體硅襯底上，生長一層很薄的SiO2絕緣層，再蒸鍍上一層金屬(鋁)或高摻雜的多晶硅作為柵電極。襯底接地，柵極外接電壓。

半導(dǎo)體作為底電極，稱為“襯底”。襯底分為P型硅襯底和N型硅襯底，它對應(yīng)不同的溝道形式，由于電子遷移率高，所以，大多數(shù)CCD選用P型硅襯底。MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體7當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時，P型襯底中的空穴從界面處被排斥到襯底的另一側(cè)，在Si表面處只留下一層不能移動的受主離子，這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”，形成圖中的充電區(qū)域(空間電荷區(qū))稱作耗盡區(qū)。（相當(dāng)于MOS電容器充負(fù)電）UG為零時，Si表面沒有電場的作用，其多數(shù)載流子濃度與體內(nèi)一樣。Si本身呈電中性。P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴。當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時，P型襯底中的空穴從8正電壓UG進一多增加，當(dāng)UG超過某一閾值Uth時，將使得半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）被吸引到半導(dǎo)體表面附近，形成一層極?。ê穸燃s10nm）但電荷濃度很高的反型層。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。（電勢能最低點）

反型層電荷的存在表明MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。正電壓UG進一多增加，當(dāng)UG超過某一閾值Uth9表面勢：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢。表面勢表征了耗盡區(qū)的深度，與柵極電壓和氧化層厚度有關(guān)不同氧化層厚度不存在反型層電荷時勢阱：由表面勢產(chǎn)生的阱狀空間。有的定義為：存儲電荷的電勢分布狀態(tài)。電極上的電壓越大，勢阱越深，可存儲的電荷量越多，也就代表了CCD器件具有電荷存儲功能。

理論分析參見半導(dǎo)體物理表面勢：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢。不同氧10

柵極電壓不變時，表面勢與反型層電荷密度的關(guān)系：柵極電壓不變時，表面勢與反型層電荷密度的關(guān)系：11反型層電荷填充勢阱時，表面勢收縮的情況：勢阱存信號電荷類似水桶盛水水桶模型溢出現(xiàn)象反型層電荷填充勢阱時，表面勢收縮的情況：勢阱存信號電荷類似水12電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電子－空穴對耗盡區(qū)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)(~1μm厚)；然后，生長出一層薄的二氧化硅(~0.1μm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電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電13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)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。np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-SiO2)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。無偏置時，n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴散，p-型14CCD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，每個像元有一個電極處于高電位。硅15CCD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)。np電勢最大電勢區(qū)電荷的收集MOS電容器CCD曝光時，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢阱里收集16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(~0.5-1.5μm)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電容器柵極N型埋溝場氧化物溝阻P型襯底耗盡區(qū)信號電荷氧化物實際的埋溝結(jié)構(gòu)電荷的收集MOS電容器柵極N型埋溝場氧化物17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(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電容器埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點是：電荷的收集MOS電容器18像元邊界電荷包p-型硅n-型硅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(yīng)一個像元。電荷的收集電荷收集的效率與電勢的分布、復(fù)合壽命和擴散長度有關(guān)。像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2絕緣層電極結(jié)構(gòu)像元邊19二、電荷耦合——MOS電容器中存儲的電荷如何移動？顯微鏡下的MOS元表面P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)原理：利用電勢阱移動信號電荷類比：水按順序傾倒到相鄰水桶問題：如何實現(xiàn)？

時序驅(qū)動脈沖二、電荷耦合——MOS電容器中存儲的電荷如何移動？顯微鏡下的20以三相CCD為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程:電極僅靠勢阱合并

每一個像素上有三個金屬電極,依次在上面施加三個相位不同的控制脈沖以三相CCD為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程:電極僅靠21CCD基本工作原理課件22三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過程三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過程23注意各個電極上電壓的變化:注意各個電極上電壓的變化:24CCD基本工作原理課件25驅(qū)動脈沖波形設(shè)計三相普通結(jié)構(gòu)CCD假設(shè)初始時刻電荷存儲在電極Ф1下，向右定向移動從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3100100100—t1110110110—t2010010010—t3011011011—t4001001001—t5101101101—t6100100100—t7TT驅(qū)動脈沖波形設(shè)計三相普通結(jié)構(gòu)CCD從上到下依次為Ф1Ф226作業(yè)一設(shè)計由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動脈沖。

設(shè)計要求：信號電荷最初僅存在于電極Ф2下，并要求信號電荷從左到右在CCD中定向移動。

波形分析：根據(jù)驅(qū)動波形知道驅(qū)動脈沖的占空比為多少？驅(qū)動脈沖時序上的關(guān)系（Ф2比Ф1延遲多長時間）？

驅(qū)動電路：相應(yīng)的時序電路如何設(shè)計？從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3Ф4作業(yè)一設(shè)計由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動脈沖。27說明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣的時鐘驅(qū)動脈沖。 CCD工作所需要的驅(qū)動脈沖相數(shù)由其電極結(jié)構(gòu)決定。對于普通結(jié)構(gòu)的CCD，為了使電荷包單向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。對于特殊結(jié)構(gòu)的CCD，也可采用二相供電或四相供電等方式。

信號電荷必須在相應(yīng)驅(qū)動脈沖作用下，才能以一定方向逐單元地轉(zhuǎn)移。

CCD電極間隙必須很小（不大于3微米），電荷才能不受阻礙地從一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下；如果電極間隙過大，兩電極的勢阱就被勢壘隔開，不能合并，也就不能發(fā)生移動了。說明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣28CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；CCD轉(zhuǎn)移電極基本要求： 電荷定向轉(zhuǎn)移 相鄰勢阱耦合三、CCD的電極結(jié)構(gòu)——信號電荷轉(zhuǎn)移的驅(qū)動接入CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；三、CCD的電極結(jié)構(gòu)291、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)采用對稱電極結(jié)構(gòu)，三相CCD是最簡單的電極結(jié)構(gòu)。因為在某一確定的時刻，對存貯有電荷的電極而言，兩個相鄰電極，需要一個被“打”開，另一個保持“關(guān)”閉，以阻止電荷倒流。通常這種電極結(jié)構(gòu)有三種形式：三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)1、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)30（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成一層0.1μm的SiO2，而后在SiO2上蒸發(fā)一層鋁，采用光刻工藝形成間隙很窄的電極。

結(jié)構(gòu)存在明顯的缺點：電極間隙處SiO2表面裸露在周圍氣氛中，有可能沾污SiO2表面，造成表面勢不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)移效率。（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成31（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的方法之一就是引用硅柵結(jié)構(gòu)。在氧化物層上沉積一層多晶硅，然后按要求對電極區(qū)域選擇摻雜(硼或磷)，形成圖中的低阻多晶電極，電極間互連和焊接區(qū)采用蒸鋁來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)點：封閉式，性能穩(wěn)定，成品率高；缺點：由于光刻和多晶硅定域摻雜難以保證電極間高阻區(qū)很窄，使得每個單元尺寸較大，這樣的結(jié)構(gòu)僅用于小型列陣器件。（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的32（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)構(gòu)形式。電極間窄間隙，又封閉的電極結(jié)構(gòu)。三相交疊電極可以是多晶硅，也可以是鋁金屬，或者兩種混用。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)33（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)

三相交疊硅柵的形成工藝：先在硅表面生成一層高質(zhì)量的氧化物（柵氧），跟著沉積一層多晶硅，摻雜后按規(guī)定圖案光刻出第一組電極；而后再進行熱氧化，形成一層氧化物，再沉積多晶硅、摻雜，第二次光刻出第二組電極；第三組電極形成方法與第二組電極相同。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵的形成工藝：先在342、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時鐘脈沖驅(qū)動下工作，電極本身必須設(shè)計成不對稱性，在這種不對稱電極下產(chǎn)生體內(nèi)勢壘，即由電極本身保證電荷能定向運動。

常用方法：利用絕緣層厚度不同的臺階和離子注入產(chǎn)生的勢壘優(yōu)點：二相時鐘方法的時鐘驅(qū)動簡單。缺點：厚氧化層下面是阻擋勢壘，不能存貯電荷，加之勢阱勢壘差減小，所以，能夠存貯在勢阱中的信號電荷量比三相時鐘情況少。一相電極2、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時鐘353、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器件、二相器件相比，較為適合于工作時鐘頻率很高的情況(如100MHz)，此時驅(qū)動波形接近正弦波。雙重勢壘相隔，轉(zhuǎn)移效率提高3、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器364、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講的CCD，信號電荷是貼近氧化層界面的襯底內(nèi)轉(zhuǎn)移。表面CCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。設(shè)法將信號的轉(zhuǎn)移溝道移到半導(dǎo)體體內(nèi)，即通過對轉(zhuǎn)移溝道進行離子注入，使勢能的極小值離界面有一定距離。4、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講37兩種來源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAtcη為材料的量子效率；q為電子電荷量；Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。四、電荷的注入——CCD的MOS電容器中信號電荷的來源？１、光注入：分為正面照射式和背面照射式兩種來源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAt38Qin=ηqANeotcQin=ηqANeotc392、電注入：給CCD勢阱中注入電荷 通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電路進行采樣，然后轉(zhuǎn)換成信號電荷注入到相應(yīng)的勢阱中。電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬輸入信號IG:輸入柵極；當(dāng)CR2為高電平時，可將ID極看成MOS晶體管的源極，IG為柵極，CR2為漏極。電流注入法結(jié)構(gòu)注入信號電荷與Uin非線性關(guān)系2、電注入：給CCD勢阱中注入電荷電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬IG:40五、電荷的檢測(輸出)—MOS電容器中信號電荷最后咋輸出？目前的CCD輸出電荷信號主要是利用電流輸出方式。五、電荷的檢測(輸出)—MOS電容器中信號電荷最后咋輸出41電路組成：1輸出二極管反向偏置電路。由電源UD、電阻R、襯底p和N+區(qū)構(gòu)成的輸出二極管反向偏置電路，對于電子來說，N+區(qū)下面相當(dāng)于一個很深的勢阱。2源極輸出放大器3復(fù)位場效應(yīng)管TR過程描述：1.CCD信號電荷向右轉(zhuǎn)移到最后一級轉(zhuǎn)移電極CR2；2.CR2電壓由高變低，勢阱抬高，信號電荷通過輸出柵OG下的勢阱進入反向偏置的二極管中。在輸出二極管反向偏置電路上產(chǎn)生電流ID；3.電流ID造成A點電位發(fā)生變化，檢測A點電位，可得到注入輸出二極管中的電荷量電路組成：過程描述：2.CR2電壓由高變低，勢阱抬高，信號42輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系。且QS越大，Id越大，從而A點電位就越低。隔直電容只將A點的電位變化取出，然后通過放大器輸出。復(fù)位場效應(yīng)管TR其作用：迅速排空檢測二極管的深勢阱中的剩余電荷，即對深勢阱進行復(fù)位，從而避免前后兩個電荷包重疊，為下一個信號電荷的檢測做準(zhǔn)備。過程：在復(fù)位脈沖RS作用下，TR導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于偏置電阻R，檢測二極管中的剩余電荷從這流走，恢復(fù)A點高電位。輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系431、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率CCD工作時電荷從一個電極經(jīng)多次耦合轉(zhuǎn)移到最后電極并輸出，如果每次轉(zhuǎn)移都會損失一部分信號電荷，會怎樣？電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系：六、CCD的特性參數(shù)——電荷耦合器件的轉(zhuǎn)移效率：一次轉(zhuǎn)移后到達下一個勢阱中的電荷量與原來勢阱中的電荷量之比。——表征CCD性能好壞的重要參數(shù)起始時刻電極下電荷量為Q(0)時刻t該電極下電荷量為Q(t)起始電荷量為Q(0)，n次轉(zhuǎn)移后輸出的電荷量為Q(0)ηn。若η=0.99,24次轉(zhuǎn)移后剩下79%，1024次后僅剩下3.4%。1、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效44提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實用的關(guān)鍵。一般η常為0.999995以上。 怎么提高轉(zhuǎn)移效率呢？分析電荷損失原因：界面態(tài)對信號電荷的俘獲解決方法：采用“胖0”工作模式（在CCD中利用電注入的方式在轉(zhuǎn)移溝道中注入胖0電荷）。即讓0信號也有一定的電荷?！芭?”缺點：“胖0”電荷分量越大，CCD輸出暗電流也越大，并且不能通過降低器件溫度來減小。損失率胖0電荷相同驅(qū)動頻率,“胖0”多,損失率低；相同

“胖0”,頻率低,損失率低;提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實用的關(guān)鍵。“胖0”缺點452、驅(qū)動頻率

驅(qū)動頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或CR2的頻率。1）驅(qū)動頻率的下限

限制來源：為避免熱激發(fā)少數(shù)載流子的干擾，要求電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所用的時間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命為τi。載流子平均壽命與溫度有關(guān)，溫度高壽命短。三相CCD：2）驅(qū)動頻率的上限 限制來源：為保證信號電荷能夠跟上驅(qū)動變化，否則轉(zhuǎn)移效率大大下降。因此，要求轉(zhuǎn)移時間t要大于電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的固有時間為τg。2、驅(qū)動頻率驅(qū)動頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或C46對于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道CCD的工作頻率高。圖示為：三相多晶硅n型表面溝道（SCCD）的實測驅(qū)動脈沖頻率與電荷轉(zhuǎn)移損失率ε之間的關(guān)系曲線。 由曲線可以看出，表面溝道CCD驅(qū)動脈沖頻率的上限為10MHz，高于10MHz以后，CCD的轉(zhuǎn)移損失率將急驟增加。體溝道CCD的驅(qū)動頻率要高一些，目前，最高驅(qū)動頻率已經(jīng)達到240MHz。這對CCD在高速成像系統(tǒng)中的應(yīng)用很重要。10-110-210-3*10-4對于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道C47七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一）工作原理電荷耦合攝像器件(ICCD):用于攝像或像敏的CCD;ICCD功能：把光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變成一維以時間為自變量的視頻輸出信號。線陣CCD:可以直接將接收到的一維光信息轉(zhuǎn)換成時序的電信號輸出，獲得一維的圖像信號。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號，必須使線陣CCD與二維圖像作相對的掃描運動，所以用線陣CCD對勻速運動物體進行掃描成像是非常方便的。應(yīng)用：掃描儀、傳真機、航空圖像掃描系統(tǒng)面陣CCD:二維的圖像傳感器，可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出。七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一481、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣ICCD轉(zhuǎn)移次數(shù)較多,效率低，適用于像元數(shù)較少的攝像器件。光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個單元溝阻組成:光敏陣列+轉(zhuǎn)移柵+CCD模擬移位寄存器+輸出放大器。光敏陣列：由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管;光敏陣列與CCD之間通過轉(zhuǎn)移柵相連，既可以隔離二者，又可以溝通二者。1、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣I49單溝道線陣ICCD工作過程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個單元光注入轉(zhuǎn)移移位輸出光積分時間光敏陣列與CCD之間通過轉(zhuǎn)移柵隔離時（轉(zhuǎn)移控制柵接低電平）,光敏陣列進行光注入(積分),光敏單元不斷積累電荷；轉(zhuǎn)移柵變?yōu)楦唠娖綍r，光敏區(qū)所累積的信號電荷將通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器中。在光積分時間期間（控制柵接低電平時），CCD模擬移位寄存器在三相交疊脈沖作用下，將信號電荷一位位移出器件，并經(jīng)過輸出放大器形成時序信號。單溝道線陣ICCD工作過程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極C50單溝道線陣ICCD工作過程描述：當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出單溝道線陣ICCD工作過程描述：轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電51單溝道線陣ICCD：單溝道線陣ICCD：52(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬移位寄存器和一個轉(zhuǎn)移柵缺點：由于奇偶信號電荷分別通過兩個模擬移位寄存器和兩個輸出放大器輸出，導(dǎo)致輸出的奇偶信號不均勻。優(yōu)點:同樣的像敏單元，雙溝道比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移時間縮短一半，因此轉(zhuǎn)移效率提高。(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬532、面陣CCD分類(按照排列方式)：幀轉(zhuǎn)移方式隔列轉(zhuǎn)移方式線轉(zhuǎn)移方式按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面陣CCD。2、面陣CCD分類(按照排列方式)：按照一54(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干個電荷耦合溝道組成,溝道之間用溝阻隔開,水平電極橫貫各溝道；暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)及單元數(shù)和像敏區(qū)完全相同；暫存區(qū)和行讀出寄存器均用金屬鋁遮蔽。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD組成：1.像敏區(qū)2.信號電荷暫存區(qū)3.水平讀出寄存器(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干55光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過程（配合電視制式）：

場正程：像敏區(qū)光積分并存儲信號電荷；

場逆程：像敏區(qū)信號電荷并行轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)；

下一個場正程：

行逆程：最下面一行信號電荷轉(zhuǎn)移到行讀出寄存器中,暫存區(qū)下移一行；

行正程：水平讀出寄存器輸出一行視頻信號；信號電荷的轉(zhuǎn)移依賴相應(yīng)的驅(qū)動時鐘。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過程（配合56思考題：光積分期間,轉(zhuǎn)移柵的電壓是高電位還是低電位?為什么？答案：低電平。光積分時，光生電荷在三個電極中哪個下面的勢阱中？ 答案：三個電極中加高電平的電極下。場逆程時，是由圖中哪些脈沖驅(qū)動完成幀的轉(zhuǎn)移的？ 答案：ICR1/2/3和SCR1/2/3共六組電極。行正程期間，暫存區(qū)的電位變化嗎？為什么？答案：不變化。原因同1。思考題：光積分期間,轉(zhuǎn)移柵的電壓是高電位還是低電位?為什么？57光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的優(yōu)缺點:

優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單，光敏單元的尺寸可以很小，傳遞函數(shù)MTF較高；

缺點： 光敏面積所占總面積的比例小。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的優(yōu)缺點:58CCD基本工作原理課件59(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD以兩相驅(qū)動的面陣CCD為例：工作時序類似幀轉(zhuǎn)移型像敏單元轉(zhuǎn)移控制柵讀出寄存器溝阻(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD以兩相驅(qū)動的面陣CCD為例：工60(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD61(3)線轉(zhuǎn)移型面陣CCD線尋址電路垂直輸出寄存器驅(qū)動脈沖優(yōu)點：

有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，效率高。

不足：

電路比較復(fù)雜； 特點：取消了存儲區(qū)，多了線尋址電路。 根據(jù)不同尋求，線尋址電路發(fā)出不同的地址選取信號后，相應(yīng)行一位位輸出。從而非常方便選擇掃描方式，實現(xiàn)逐行或隔行掃描；還可以工作在線陣CCD的狀態(tài)(3)線轉(zhuǎn)移型面陣CCD線尋址電路垂直輸出寄存器驅(qū)62CCD基本工作原理課件63CCD基本工作原理課件64CCD基本工作原理課件65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下面通過類比說明CCD收集、轉(zhuǎn)移和測量電荷的過程。小66每個小盆接到的雨水?dāng)?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每個小盆接到的類比中，雨滴表示光子；CCD的工作過程類比說明67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68倒空量筒 然后將最靠近量筒小盆中的雨水通過虹吸泵導(dǎo)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(zhǔn)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倒空量筒 然后將最靠近量筒小盆中的雨水通過虹吸泵導(dǎo)入量筒中測69又一次測量結(jié)束。倒空量筒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70倒空量筒一行電荷測量結(jié)束。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71重復(fù)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(zhǔn)備好進行下一次開始接雨水（曝光）。CCD的工作過程類比說明重復(fù)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721、光電轉(zhuǎn)換特性

存儲于CCD的像敏單元中信號電荷包是由入射光子被硅襯底材料吸收，并被轉(zhuǎn)換成少數(shù)載流子（反型層電荷）形成的，具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子γ可達到99.7%以上。2、光譜響應(yīng)（二）ICCD的基本特性參數(shù)線性關(guān)系1、光電轉(zhuǎn)換特性2、光譜響應(yīng)（二）ICCD的基本特性參數(shù)73（三）ICCD的動態(tài)范圍

1、勢阱可存儲的最大信號電荷量取決于CCD的電極面積、器件結(jié)構(gòu)、時鐘驅(qū)動方式、驅(qū)動脈沖電壓幅度等。

2、噪聲

來源：電荷注入、轉(zhuǎn)移、檢測復(fù)位

噪聲的度量方法：用等效電子數(shù)表示；（1）光子噪聲（2）電流噪聲（3）胖零噪聲（4）浮獲噪聲（5）輸出噪聲動態(tài)范圍定義：像敏單元的勢阱中可存儲的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比。（三）ICCD的動態(tài)范圍1、勢阱可存儲的最大信號電荷量74（四）ICCD的暗電流及產(chǎn)生原因1、耗盡的硅襯底中電子自價帶至導(dǎo)帶的本征躍遷2、少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴散3、Si-SiO2界面引起的暗電流

(A/cm)

In=10-3δsNss暗電流是大多數(shù)攝像器件共有的特征，是判斷攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。即使沒有光照或者其他電荷注入時,仍然會存在。載流子濃度、壽命，耗盡區(qū)寬度（四）ICCD的暗電流及產(chǎn)生原因1、耗盡的硅襯底中電子75（五）ICCD的分辨率—MTF或像元數(shù)

（五）ICCD的分辨率—MTF或像元數(shù)76

二維面陣CCD在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率的要求往往高于垂直分辨率。在評價面陣CCD的分辨率時，只評價它的水平分辨率，且利用電視系統(tǒng)的評價方法為電視線數(shù)的評價方法。電視線評價方法表明，在一幅圖像的水平方向能夠分辨出黑白線的條數(shù)為其分辨率。分辨率與水平方向上CCD的像元數(shù)量有關(guān)，像元數(shù)越多，分辨率越高?，F(xiàn)在面陣CCD的分辨率越來越高。

二維面陣CCD在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的77幾種面陣CCD的參數(shù)幾種面陣CCD的參數(shù)78本講小結(jié)（重點考核內(nèi)容）掌握ICCD工作過程：光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移、電荷檢測MOS電容器存儲信號電荷的原理電荷耦合的原理（理解驅(qū)動脈沖和電極配合達到目的的過程）CCD電極結(jié)構(gòu)的基本要求及并了解幾種典型的電極結(jié)構(gòu)電荷的注入及電荷的檢測（理解檢測電路構(gòu)造及工作過程）CCD的特性參數(shù)：轉(zhuǎn)移效率（提高方式）和驅(qū)動頻率上下限ICCD的工作原理及分類（線陣和面陣）掌握線陣及面陣CCD的結(jié)構(gòu)組成，并理解工作過程；了解ICCD的基本特性參數(shù)、動態(tài)范圍、暗電流、分辨率本章課后習(xí)題會做（下頁PPT）本講小結(jié)（重點考核內(nèi)容）掌握ICCD工作過程：光電轉(zhuǎn)換、電荷79CCD基本工作原理課件80教學(xué)進度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本工作原理典型面陣ICCD視頻信號處理及計算機數(shù)據(jù)采集圖像傳感器的典型應(yīng)用典型線陣ICCD圖像傳感器基本原理及電視制式教學(xué)進度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本81第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出特點：以電荷為信號載體；CCD的基本功能：電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移；CCD圖像傳感器的基本工作過程：光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成信號電荷）電荷的儲存（存儲信號電荷-光積分）電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號電荷）電荷的檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號）光電二極管FD放大器CCD第五講CCD圖像傳感器基本工作原理CCD型圖像傳感器突出82CCD的工作過程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷收集4電荷轉(zhuǎn)移5電荷測量視頻輸出CCD的工作過程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成83電荷存儲電荷耦合CCD電極結(jié)構(gòu)電荷注入和檢測CCD特性參數(shù)電荷耦合攝像器件：工作原理、特性參數(shù)第五講CCD圖像傳感器基本工作原理電荷存儲第五講CCD圖像傳感器基本工作原理84一、電荷存儲——光電轉(zhuǎn)換得到的信號電荷怎么存儲？信號電荷以何種機制儲存？信號電荷是空穴還是電子？——CCD多用電子利用電子可以被高電勢所吸引的性質(zhì)。

在光電二極管中，不管用什么方法只要做出高于周圍電勢的部分，信號電荷(電子)就可以在此集中儲存。

電勢阱：儲存信號電荷的電勢分布狀態(tài)為了存儲電荷必須制造一個存儲區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量收集起來，而且保證所收集電荷不被復(fù)合。一、電荷存儲——光電轉(zhuǎn)換得到的信號電荷怎么存儲？信號電荷以85MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS單元組成，它具有存儲和轉(zhuǎn)移信息的能力，故又稱為動態(tài)移位寄存器。

MOS電容器有二種類型：表面溝道和掩埋溝道。這二種類型MOS電容器的制造只有些許不同；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)。

CCD的構(gòu)成基礎(chǔ)：MOS電容器(Metal-Oxide-Semiconductor)

金屬-氧化物-半導(dǎo)體

MOS電容器（也稱MOS二極管）CCD是由若干MOS86

MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體硅襯底上，生長一層很薄的SiO2絕緣層，再蒸鍍上一層金屬(鋁)或高摻雜的多晶硅作為柵電極。襯底接地，柵極外接電壓。

半導(dǎo)體作為底電極，稱為“襯底”。襯底分為P型硅襯底和N型硅襯底，它對應(yīng)不同的溝道形式，由于電子遷移率高，所以，大多數(shù)CCD選用P型硅襯底。MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體87當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時，P型襯底中的空穴從界面處被排斥到襯底的另一側(cè)，在Si表面處只留下一層不能移動的受主離子，這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”，形成圖中的充電區(qū)域(空間電荷區(qū))稱作耗盡區(qū)。（相當(dāng)于MOS電容器充負(fù)電）UG為零時，Si表面沒有電場的作用，其多數(shù)載流子濃度與體內(nèi)一樣。Si本身呈電中性。P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴。當(dāng)在柵電極上加上UG＞0的小電壓時，P型襯底中的空穴從88正電壓UG進一多增加，當(dāng)UG超過某一閾值Uth時，將使得半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）被吸引到半導(dǎo)體表面附近，形成一層極薄（厚度約10nm）但電荷濃度很高的反型層。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。（電勢能最低點）

反型層電荷的存在表明MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。正電壓UG進一多增加，當(dāng)UG超過某一閾值Uth89表面勢：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢。表面勢表征了耗盡區(qū)的深度，與柵極電壓和氧化層厚度有關(guān)不同氧化層厚度不存在反型層電荷時勢阱：由表面勢產(chǎn)生的阱狀空間。有的定義為：存儲電荷的電勢分布狀態(tài)。電極上的電壓越大，勢阱越深，可存儲的電荷量越多，也就代表了CCD器件具有電荷存儲功能。

理論分析參見半導(dǎo)體物理表面勢：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢。不同氧90

柵極電壓不變時，表面勢與反型層電荷密度的關(guān)系：柵極電壓不變時，表面勢與反型層電荷密度的關(guān)系：91反型層電荷填充勢阱時，表面勢收縮的情況：勢阱存信號電荷類似水桶盛水水桶模型溢出現(xiàn)象反型層電荷填充勢阱時，表面勢收縮的情況：勢阱存信號電荷類似水92電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電子－空穴對耗盡區(qū)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)(~1μm厚)；然后，生長出一層薄的二氧化硅(~0.1μm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電荷的收集埋溝MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電93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)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。np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-SiO2)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。無偏置時，n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴散，p-型94CCD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，每個像元有一個電極處于高電位。硅95CCD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)。np電勢最大電勢區(qū)電荷的收集MOS電容器CCD曝光時，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢阱里收集96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(~0.5-1.5μm)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電容器柵極N型埋溝場氧化物溝阻P型襯底耗盡區(qū)信號電荷氧化物實際的埋溝結(jié)構(gòu)電荷的收集MOS電容器柵極N型埋溝場氧化物97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(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電容器埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點是：電荷的收集MOS電容器98像元邊界電荷包p-型硅n-型硅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(yīng)一個像元。電荷的收集電荷收集的效率與電勢的分布、復(fù)合壽命和擴散長度有關(guān)。像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2絕緣層電極結(jié)構(gòu)像元邊99二、電荷耦合——MOS電容器中存儲的電荷如何移動？顯微鏡下的MOS元表面P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)原理：利用電勢阱移動信號電荷類比：水按順序傾倒到相鄰水桶問題：如何實現(xiàn)？

時序驅(qū)動脈沖二、電荷耦合——MOS電容器中存儲的電荷如何移動？顯微鏡下的100以三相CCD為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程:電極僅靠勢阱合并

每一個像素上有三個金屬電極,依次在上面施加三個相位不同的控制脈沖以三相CCD為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程:電極僅靠101CCD基本工作原理課件102三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過程三相CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過程103注意各個電極上電壓的變化:注意各個電極上電壓的變化:104CCD基本工作原理課件105驅(qū)動脈沖波形設(shè)計三相普通結(jié)構(gòu)CCD假設(shè)初始時刻電荷存儲在電極Ф1下，向右定向移動從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3100100100—t1110110110—t2010010010—t3011011011—t4001001001—t5101101101—t6100100100—t7TT驅(qū)動脈沖波形設(shè)計三相普通結(jié)構(gòu)CCD從上到下依次為Ф1Ф2106作業(yè)一設(shè)計由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動脈沖。

設(shè)計要求：信號電荷最初僅存在于電極Ф2下，并要求信號電荷從左到右在CCD中定向移動。

波形分析：根據(jù)驅(qū)動波形知道驅(qū)動脈沖的占空比為多少？驅(qū)動脈沖時序上的關(guān)系（Ф2比Ф1延遲多長時間）？

驅(qū)動電路：相應(yīng)的時序電路如何設(shè)計？從上到下依次為Ф1

Ф2Ф3Ф4作業(yè)一設(shè)計由普通電極結(jié)構(gòu)組成的四相CCD的驅(qū)動脈沖。107說明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣的時鐘驅(qū)動脈沖。 CCD工作所需要的驅(qū)動脈沖相數(shù)由其電極結(jié)構(gòu)決定。對于普通結(jié)構(gòu)的CCD，為了使電荷包單向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。對于特殊結(jié)構(gòu)的CCD，也可采用二相供電或四相供電等方式。

信號電荷必須在相應(yīng)驅(qū)動脈沖作用下，才能以一定方向逐單元地轉(zhuǎn)移。

CCD電極間隙必須很?。ú淮笥?微米），電荷才能不受阻礙地從一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下；如果電極間隙過大，兩電極的勢阱就被勢壘隔開，不能合并，也就不能發(fā)生移動了。說明： CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣108CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；CCD轉(zhuǎn)移電極基本要求： 電荷定向轉(zhuǎn)移 相鄰勢阱耦合三、CCD的電極結(jié)構(gòu)——信號電荷轉(zhuǎn)移的驅(qū)動接入CCD轉(zhuǎn)移電極一般用金屬鋁或多晶硅制成；三、CCD的電極結(jié)構(gòu)1091、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)采用對稱電極結(jié)構(gòu)，三相CCD是最簡單的電極結(jié)構(gòu)。因為在某一確定的時刻，對存貯有電荷的電極而言，兩個相鄰電極，需要一個被“打”開，另一個保持“關(guān)”閉，以阻止電荷倒流。通常這種電極結(jié)構(gòu)有三種形式：三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)1、三相電極結(jié)構(gòu)(三相CCD)110（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成一層0.1μm的SiO2，而后在SiO2上蒸發(fā)一層鋁，采用光刻工藝形成間隙很窄的電極。

結(jié)構(gòu)存在明顯的缺點：電極間隙處SiO2表面裸露在周圍氣氛中，有可能沾污SiO2表面，造成表面勢不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)移效率。（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)在輕摻雜的硅襯底上先生成111（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的方法之一就是引用硅柵結(jié)構(gòu)。在氧化物層上沉積一層多晶硅，然后按要求對電極區(qū)域選擇摻雜(硼或磷)，形成圖中的低阻多晶電極，電極間互連和焊接區(qū)采用蒸鋁來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)點：封閉式，性能穩(wěn)定，成品率高；缺點：由于光刻和多晶硅定域摻雜難以保證電極間高阻區(qū)很窄，使得每個單元尺寸較大，這樣的結(jié)構(gòu)僅用于小型列陣器件。（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的112（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)構(gòu)形式。電極間窄間隙，又封閉的電極結(jié)構(gòu)。三相交疊電極可以是多晶硅，也可以是鋁金屬，或者兩種混用。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)113（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)

三相交疊硅柵的形成工藝：先在硅表面生成一層高質(zhì)量的氧化物（柵氧），跟著沉積一層多晶硅，摻雜后按規(guī)定圖案光刻出第一組電極；而后再進行熱氧化，形成一層氧化物，再沉積多晶硅、摻雜，第二次光刻出第二組電極；第三組電極形成方法與第二組電極相同。（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵的形成工藝：先在1142、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時鐘脈沖驅(qū)動下工作，電極本身必須設(shè)計成不對稱性，在這種不對稱電極下產(chǎn)生體內(nèi)勢壘，即由電極本身保證電荷能定向運動。

常用方法：利用絕緣層厚度不同的臺階和離子注入產(chǎn)生的勢壘優(yōu)點：二相時鐘方法的時鐘驅(qū)動簡單。缺點：厚氧化層下面是阻擋勢壘，不能存貯電荷，加之勢阱勢壘差減小，所以，能夠存貯在勢阱中的信號電荷量比三相時鐘情況少。一相電極2、二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)為使CCD能在二相時鐘1153、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器件、二相器件相比，較為適合于工作時鐘頻率很高的情況(如100MHz)，此時驅(qū)動波形接近正弦波。雙重勢壘相隔，轉(zhuǎn)移效率提高3、四相CCD四相CCD工作狀態(tài)與三相器1164、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講的CCD，信號電荷是貼近氧化層界面的襯底內(nèi)轉(zhuǎn)移。表面CCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。設(shè)法將信號的轉(zhuǎn)移溝道移到半導(dǎo)體體內(nèi)，即通過對轉(zhuǎn)移溝道進行離子注入，使勢能的極小值離界面有一定距離。4、體溝道CCD（埋溝道CCD——BCCD）前面講117兩種來源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAtcη為材料的量子效率；q為電子電荷量；Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。四、電荷的注入——CCD的MOS電容器中信號電荷的來源？１、光注入：分為正面照射式和背面照射式兩種來源：光注入（圖像傳感器）＋電注入Qin=ηqNeoAt118Qin=ηqANeotcQin=ηqANeotc1192、電注入：給CCD勢阱中注入電荷 通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電路進行采樣，然后轉(zhuǎn)換成信號電荷注入到相應(yīng)的勢阱中。電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬輸入信號IG:輸入柵極；當(dāng)CR2為高電平時，可將ID極看成MOS晶體管的源極，IG為柵極，CR2為漏極。電流注入法結(jié)構(gòu)注入信號電荷與Uin非線性關(guān)系2、電注入：給CCD勢阱中注入電荷電壓注入法結(jié)構(gòu)模擬IG:120五、電荷的檢測(輸出)—MOS電容器中信號電荷最后咋輸出？目前的CCD輸出電荷信號主要是利用電流輸出方式。五、電荷的檢測(輸出)—MOS電容器中信號電荷最后咋輸出121電路組成：1輸出二極管反向偏置電路。由電源UD、電阻R、襯底p和N+區(qū)構(gòu)成的輸出二極管反向偏置電路，對于電子來說，N+區(qū)下面相當(dāng)于一個很深的勢阱。2源極輸出放大器3復(fù)位場效應(yīng)管TR過程描述：1.CCD信號電荷向右轉(zhuǎn)移到最后一級轉(zhuǎn)移電極CR2；2.CR2電壓由高變低，勢阱抬高，信號電荷通過輸出柵OG下的勢阱進入反向偏置的二極管中。在輸出二極管反向偏置電路上產(chǎn)生電流ID；3.電流ID造成A點電位發(fā)生變化，檢測A點電位，可得到注入輸出二極管中的電荷量電路組成：過程描述：2.CR2電壓由高變低，勢阱抬高，信號122輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系。且QS越大，Id越大，從而A點電位就越低。隔直電容只將A點的電位變化取出，然后通過放大器輸出。復(fù)位場效應(yīng)管TR其作用：迅速排空檢測二極管的深勢阱中的剩余電荷，即對深勢阱進行復(fù)位，從而避免前后兩個電荷包重疊，為下一個信號電荷的檢測做準(zhǔn)備。過程：在復(fù)位脈沖RS作用下，TR導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于偏置電阻R，檢測二極管中的剩余電荷從這流走，恢復(fù)A點高電位。輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS成正比例關(guān)系1231、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率CCD工作時電荷從一個電極經(jīng)多次耦合轉(zhuǎn)移到最后電極并輸出，如果每次轉(zhuǎn)移都會損失一部分信號電荷，會怎樣？電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系：六、CCD的特性參數(shù)——電荷耦合器件的轉(zhuǎn)移效率：一次轉(zhuǎn)移后到達下一個勢阱中的電荷量與原來勢阱中的電荷量之比?！碚鰿CD性能好壞的重要參數(shù)起始時刻電極下電荷量為Q(0)時刻t該電極下電荷量為Q(t)起始電荷量為Q(0)，n次轉(zhuǎn)移后輸出的電荷量為Q(0)ηn。若η=0.99,24次轉(zhuǎn)移后剩下79%，1024次后僅剩下3.4%。1、電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效124提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實用的關(guān)鍵。一般η常為0.999995以上。 怎么提高轉(zhuǎn)移效率呢？分析電荷損失原因：界面態(tài)對信號電荷的俘獲解決方法：采用“胖0”工作模式（在CCD中利用電注入的方式在轉(zhuǎn)移溝道中注入胖0電荷）。即讓0信號也有一定的電荷?！芭?”缺點：“胖0”電荷分量越大，CCD輸出暗電流也越大，并且不能通過降低器件溫度來減小。損失率胖0電荷相同驅(qū)動頻率,“胖0”多,損失率低；相同

“胖0”,頻率低,損失率低;提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實用的關(guān)鍵?！芭?”缺點1252、驅(qū)動頻率

驅(qū)動頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或CR2的頻率。1）驅(qū)動頻率的下限

限制來源：為避免熱激發(fā)少數(shù)載流子的干擾，要求電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所用的時間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命為τi。載流子平均壽命與溫度有關(guān)，溫度高壽命短。三相CCD：2）驅(qū)動頻率的上限 限制來源：為保證信號電荷能夠跟上驅(qū)動變化，否則轉(zhuǎn)移效率大大下降。因此，要求轉(zhuǎn)移時間t要大于電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的固有時間為τg。2、驅(qū)動頻率驅(qū)動頻率：加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖頻率，如CR1或C126對于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道CCD的工作頻率高。圖示為：三相多晶硅n型表面溝道（SCCD）的實測驅(qū)動脈沖頻率與電荷轉(zhuǎn)移損失率ε之間的關(guān)系曲線。 由曲線可以看出，表面溝道CCD驅(qū)動脈沖頻率的上限為10MHz，高于10MHz以后，CCD的轉(zhuǎn)移損失率將急驟增加。體溝道CCD的驅(qū)動頻率要高一些，目前，最高驅(qū)動頻率已經(jīng)達到240MHz。這對CCD在高速成像系統(tǒng)中的應(yīng)用很重要。10-110-210-3*10-4對于相同結(jié)構(gòu)設(shè)計的n溝道（P型襯底）CCD比p溝道C127七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一）工作原理電荷耦合攝像器件(ICCD):用于攝像或像敏的CCD;ICCD功能：把光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變成一維以時間為自變量的視頻輸出信號。線陣CCD:可以直接將接收到的一維光信息轉(zhuǎn)換成時序的電信號輸出，獲得一維的圖像信號。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號，必須使線陣CCD與二維圖像作相對的掃描運動，所以用線陣CCD對勻速運動物體進行掃描成像是非常方便的。應(yīng)用：掃描儀、傳真機、航空圖像掃描系統(tǒng)面陣CCD:二維的圖像傳感器，可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出。七、電荷耦合攝像器件ICCD——CCD在攝像領(lǐng)域的應(yīng)用（一1281、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣ICCD轉(zhuǎn)移次數(shù)較多,效率低，適用于像元數(shù)較少的攝像器件。光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個單元溝阻組成:光敏陣列+轉(zhuǎn)移柵+CCD模擬移位寄存器+輸出放大器。光敏陣列：由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管;光敏陣列與CCD之間通過轉(zhuǎn)移柵相連，既可以隔離二者，又可以溝通二者。1、線型CCD攝像器件的兩種基本形式(1)單溝道線陣I129單溝道線陣ICCD工作過程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極CCD的1個單元光注入轉(zhuǎn)移移位輸出光積分時間光敏陣列與CCD之間通過轉(zhuǎn)移柵隔離時（轉(zhuǎn)移控制柵接低電平）,光敏陣列進行光注入(積分),光敏單元不斷積累電荷；轉(zhuǎn)移柵變?yōu)楦唠娖綍r，光敏區(qū)所累積的信號電荷將通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器中。在光積分時間期間（控制柵接低電平時），CCD模擬移位寄存器在三相交疊脈沖作用下，將信號電荷一位位移出器件，并經(jīng)過輸出放大器形成時序信號。單溝道線陣ICCD工作過程描述：光敏單元(像素)轉(zhuǎn)移柵極C130單溝道線陣ICCD工作過程描述：當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出單溝道線陣ICCD工作過程描述：轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電131單溝道線陣ICCD：單溝道線陣ICCD：132(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬移位寄存器和一個轉(zhuǎn)移柵缺點：由于奇偶信號電荷分別通過兩個模擬移位寄存器和兩個輸出放大器輸出，導(dǎo)致輸出的奇偶信號不均勻。優(yōu)點:同樣的像敏單元，雙溝道比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移時間縮短一半，因此轉(zhuǎn)移效率提高。(2)雙溝道線陣ICCD在光敏陣列兩側(cè)各有一列CCD模擬1332、面陣CCD分類(按照排列方式)：幀轉(zhuǎn)移方式隔列轉(zhuǎn)移方式線轉(zhuǎn)移方式按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面陣CCD。2、面陣CCD分類(按照排列方式)：按照一134(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干個電荷耦合溝道組成,溝道之間用溝阻隔開,水平電極橫貫各溝道；暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)及單元數(shù)和像敏區(qū)完全相同；暫存區(qū)和行讀出寄存器均用金屬鋁遮蔽。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD組成：1.像敏區(qū)2.信號電荷暫存區(qū)3.水平讀出寄存器(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD像敏區(qū)由并行排列的若干135光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過程（配合電視制式）：

場正程：像敏區(qū)光積分并存儲信號電荷；

場逆程：像敏區(qū)信號電荷并行轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)；

下一個場正程：

行逆程：最下面一行信號電荷轉(zhuǎn)移到行讀出寄存器中,暫存區(qū)下移一行；

行正程：水平讀出寄存器輸出一行視頻信號；信號電荷的轉(zhuǎn)移依賴相應(yīng)的驅(qū)動時鐘。光敏單元(像素)(3排電極)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過程（配合136思考題：光積分期間,轉(zhuǎn)移柵的電壓是高電位還是低電位?為什么？答案：低電平。光積分時，光生電荷在三個電極中哪個下面的勢阱中？ 答案：三個電極中加高電平的電極下。場逆程時，是由圖中哪些脈沖