電荷耦合器件

§6.3

、電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)固體成像器件電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice,CCD)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS圖像傳感器（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS）2/2/20231CCD立體相機(jī)前中后三層影像合成三維圖片激光高度計(jì)(高度5m、分辨率1m)干涉成像光譜儀γ射線相機(jī)X射線相機(jī)微波探測(cè)儀(土壤厚度、氦-3)高能粒子探測(cè)器低能離子探測(cè)器元素探測(cè)探測(cè)地月間的環(huán)境2/2/20232電荷耦合器件CCD線陣CCD面陣CCD表面溝道CCD(SCCD),電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉(zhuǎn)移。體溝道CCD(BCCD),電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移CCD類型2/2/202336.3.1電荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感2/2/20234特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的傳輸信號(hào)電荷的檢測(cè)2/2/202351.1.1電荷存貯

CCD是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容陣列組成。MetalOxideSemiconductor2/2/20236金屬VG氧化物（SiO2）半導(dǎo)體(P—Si)電子勢(shì)阱界面勢(shì)如果有光入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的光電子被表面的勢(shì)阱所吸收。而空穴被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)。

當(dāng)在金屬電極上加正電壓VG時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電極下Ｐ型區(qū)域里的多數(shù)載流子空穴被排斥、驅(qū)趕，形成了一個(gè)耗盡區(qū)。而對(duì)于少數(shù)載流子電子，電場(chǎng)則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對(duì)于帶負(fù)電的電子來(lái)講是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域稱為“勢(shì)阱”。勢(shì)阱積累電子的容量取決于勢(shì)阱的“深度”，而表面勢(shì)的大小近似與柵壓VG成正比。2/2/20237勢(shì)阱內(nèi)吸收的光電子數(shù)量與入射光勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)單元就稱光敏單元或一個(gè)象素；而將一個(gè)勢(shì)阱所吸收集的若干個(gè)光生電荷稱為一個(gè)電荷包。通常在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬(wàn)個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏單元，如果在金屬電極上加上正電壓，則在半導(dǎo)體硅片上就形成成千上萬(wàn)的個(gè)相互獨(dú)立的勢(shì)阱。如果此時(shí)照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會(huì)產(chǎn)生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光電荷圖像，因而得到影像信號(hào)。2/2/202381.1.2.電荷耦合CCD器件每一單元（每一像素）稱為一位，有256位、1024位、2160位等線陣CCD。CCD一位中含的MOS電容個(gè)數(shù)即為CCD的相數(shù)，通常有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們施加的時(shí)鐘脈沖也分為二相、三相、四相。二相脈沖的兩路脈沖相位相差1800；三相及四相脈沖的相位差分別為1200、900。當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到CCD驅(qū)動(dòng)電路上循環(huán)時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移及耦合。

圖所示TCD1206的相鄰兩像元，每一位含MOS電容2個(gè)

取表面勢(shì)增加的方向向下，工作過(guò)程如圖所示：

2/2/20239<第二位><第一位>不對(duì)稱勢(shì)阱每一位下兩個(gè)Φ1Φ2①t=t1時(shí)②t=t2時(shí)③t=t3時(shí)④t=t4時(shí)Φ1Φ2t1t2t3TCD1206二相驅(qū)動(dòng)波形（Φ1、Φ2相位差1800）t4

at=t1時(shí)，Φ1電極處于高電平，而Φ2電極處于低電平。由于Φ1電極上柵壓大于開(kāi)啟電壓，故在Φ1下形成勢(shì)阱，假設(shè)此時(shí)光敏二極管接收光照，它每一位（每一像元）的電荷都從對(duì)應(yīng)的Φ1電極下放入勢(shì)阱。

2/2/202310bt=t2時(shí)，Φ1電極上柵壓小于Φ2電極上柵壓，故Φ1電極下勢(shì)阱變淺，勢(shì)阱變深，電荷更多流向Φ2電極下。（由于勢(shì)阱的不對(duì)稱性，“左淺右深”，電荷只能朝右轉(zhuǎn)移

ct=t3時(shí)，Φ2電極處于高電平，而Φ1電極處于低電平，故電荷聚集到Φ2電極下，實(shí)現(xiàn)了電荷從Φ1電極下到Φ2電極下的轉(zhuǎn)移。

d同理可知，t=t4時(shí)，電荷包從上一位的Φ1電極下轉(zhuǎn)移到下一位的Φ1電極下。因此，時(shí)鐘脈沖經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，電荷包在CCD上移動(dòng)一位。2/2/2023111.1.3電荷注入

光注入方式當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被其收集到勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。在CCD中，電荷注入分為兩類：光注入和電注入。N為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積，t為光注入時(shí)間2/2/202312Φ1Φ2G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）漏極柵極源極（直流偏置）輸出柵（器件內(nèi)部，總打開(kāi)）注：.對(duì)二相CCD，只有Φ1、Φ2電極；②.Φ2下電荷耦合進(jìn)T3。（復(fù)位脈沖ΦR）4電荷檢測(cè)

CCD輸出結(jié)構(gòu)的作用是將CCD中信號(hào)電荷變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵?，以檢測(cè)信號(hào)電荷的大小。

浮置擴(kuò)散放大器屬于電壓輸出方式，目前采用較多。其基本結(jié)構(gòu)和工作原理如下：如圖所示，給出了CCD的電壓輸出電路。放大管T1

復(fù)位管T2輸出二極管T32/2/202313此電荷積分器隨T2管的開(kāi)與關(guān)，處于選通和關(guān)閉狀態(tài)，稱為選通電荷積分器放大管T1是源跟隨器復(fù)位管T2工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出二極管T3始終處于強(qiáng)反偏狀態(tài)A點(diǎn)的等效電容C由T3管的結(jié)電容加上T1管的柵電容構(gòu)成，它構(gòu)成一個(gè)電荷積分器Φ1Φ2G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）漏極柵極源極（直流偏置）輸出柵（器件內(nèi)部，總打開(kāi)）注：.對(duì)二相CCD，只有Φ1、Φ2電極；②.Φ2下電荷耦合進(jìn)T3。（復(fù)位脈沖ΦR）2/2/202314Φ2Φ1ΦRVout如圖所示為電壓輸出工作波形圖。

CCD電壓輸出工作原理為：在每個(gè)時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)，隨著時(shí)鐘脈沖Φ1或Φ2的下降過(guò)程，就有一個(gè)電荷包從CCD轉(zhuǎn)移到輸出二極管T3的N區(qū)，即轉(zhuǎn)移到電荷積分器上，引起A點(diǎn)電位變化為：2/2/202315由于MOS管T1的電壓增益為

式中g(shù)m為電導(dǎo)，RL為負(fù)載電阻，故T1管源極輸出電壓變化為：

對(duì)Vout進(jìn)行讀出，然后T2管柵極RG在復(fù)位脈沖ΦR的作用下導(dǎo)通，將電荷包Q通過(guò)T2管的溝道抽走，使A點(diǎn)電位重新置在VRD值，為下一次Vout讀出作準(zhǔn)備。因?yàn)槭荖溝道，信息電荷為電子，故加負(fù)號(hào)

當(dāng)ΦR結(jié)束，T2管關(guān)閉后，由于T1管處于A點(diǎn)的VRD電位的強(qiáng)反偏狀態(tài)，此積分器無(wú)放電回路，所以A點(diǎn)電位一直維持在VRD值，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)電荷到來(lái)為止。2/2/2023162、電荷耦合器件的特性參數(shù)2.1電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率N個(gè)電極轉(zhuǎn)移后所剩余的電量為2/2/2023172.2驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)頻率的下限在信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，為了避免由于熱激發(fā)少數(shù)載流子而對(duì)注入信號(hào)電荷的干擾，注入電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命，對(duì)于二相來(lái)講，周期為T(mén)

載流子的平均壽命與器件的工作溫度有關(guān)，工作溫度越高，熱激發(fā)的少數(shù)載流子平均壽命越短，驅(qū)動(dòng)頻率的下限越高2/2/202318驅(qū)動(dòng)頻率的上限驅(qū)動(dòng)頻率升高時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)使電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的時(shí)間t應(yīng)大于從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間，才能保證電荷的完全轉(zhuǎn)移，否則信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大下降。電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子的遷移率、電極長(zhǎng)度、襯底雜質(zhì)的濃度和溫度等因素有關(guān)。2/2/2023193.2、幾種常用的CCD驅(qū)動(dòng)方法CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法多種多樣，常用的方法有：這種方法用數(shù)字門(mén)電路及時(shí)序電路搭成CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路。一般由振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等組成?？捎脴?biāo)準(zhǔn)邏輯器件搭成或可編程邏輯器件制成。特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)頻率高，但邏輯設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。a直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法

b.可編程邏輯器件CPLD驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間可以調(diào)節(jié)2/2/202320c單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法

單片機(jī)產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的方法，主要依靠程序編制，直接由單片機(jī)I/O口輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)。時(shí)序信號(hào)是由程序指令間的延時(shí)產(chǎn)生。這種方法的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)時(shí)序靈活方便、編程簡(jiǎn)單，但通常具有驅(qū)動(dòng)頻率低的缺點(diǎn)。如果使用指令周期很短單片機(jī)（高速單片機(jī)），則可以克服這一缺點(diǎn)。

在EPROM中事先存放驅(qū)動(dòng)CCD的所有時(shí)序信號(hào)數(shù)據(jù)，并由計(jì)數(shù)電路產(chǎn)生EPROM的地址使之輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，與單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法相似。dEPROM驅(qū)動(dòng)方法2/2/202321e專用IC驅(qū)動(dòng)方法

利用專用集成電路產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序，集成度高、功能強(qiáng)、使用方便。在大批量生產(chǎn)中，驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)等視頻領(lǐng)域首選此法，但在工業(yè)測(cè)量中又顯得靈活性不好?？捎每删幊踢壿嬈骷ù妗皩Ｓ肐C驅(qū)動(dòng)方法”。2/2/2023223.3、CCD圖象傳感器的應(yīng)用

CCD的七個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域

１).小型化黑白、彩色TV攝像機(jī)(面陣CCD應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。)2).傳真通訊系統(tǒng)

用1024～2048像元的線陣CCD作傳真機(jī)，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開(kāi)稿件的掃描。

3).光學(xué)字符識(shí)別

代替人眼，把字符變成電信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化，然后用計(jì)算機(jī)識(shí)別。

4).廣播TV

2/2/2023235).工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制

這是CCD應(yīng)用量很大的一個(gè)領(lǐng)域，統(tǒng)稱機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

a.在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機(jī)械等領(lǐng)域作零件尺寸的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量、包裝、形狀識(shí)別、表面缺陷或粗糙度檢測(cè)。b.在自動(dòng)控制方面，主要作計(jì)算機(jī)獲取被控信息的手段。c.還可作機(jī)器人視覺(jué)傳感器。

2/2/2023246).可用于各種標(biāo)本分析（如血細(xì)胞分析儀），眼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像等。

a.天文攝像觀測(cè)b.

從衛(wèi)星遙感地面

如：美國(guó)用5個(gè)2048位CCD拼接成10240位長(zhǎng)取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛(wèi)星傳感器。c.

航空遙感、衛(wèi)星偵察如：1985年歐洲空間局首次在SPOT衛(wèi)星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。

還在軍事上應(yīng)用：微光夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)跟蹤、軍用圖象通信等。

7).

天文觀測(cè)2/2/202325He-Ne信號(hào)讀出信號(hào)處理時(shí)鐘發(fā)生控制器計(jì)數(shù)顯示器透鏡細(xì)絲線陣CCDL１、微小尺寸的檢測(cè)（10~500um）用衍射的方法對(duì)細(xì)絲、狹縫、微小位移、微小孔等進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式:可以得到：例：尺寸測(cè)量2/2/202326d——細(xì)絲直徑；K——衍射暗紋級(jí)次K=±1,2,3…；λ——激光波長(zhǎng)；

L——被測(cè)細(xì)絲到CCD光敏面的距離；

θ——被測(cè)細(xì)絲到第K級(jí)暗紋的連線，與光線主軸的夾角；

xk————第K級(jí)暗紋到光軸的距離。

3θ012XkSdL2/2/202327當(dāng)θ很小時(shí)（即L足夠大時(shí)）Sinθ≈tgθ=xk/L代入

得到：S——暗紋寬度，S=XK/K是相等的，則測(cè)細(xì)絲直徑d轉(zhuǎn)化為用CCD測(cè)S

誤差分析2/2/202328由于激光波長(zhǎng)誤差很小可忽略不計(jì)，則

例：He-Ne激光λ＝632.8nm,L=1000mm±0.5mm,d=500μm,

當(dāng)CCD像元選用13±1μm測(cè)量誤差：2/2/202329絲越細(xì)，測(cè)量精度越高（d越小S越大），甚至可達(dá)到Δd=10-2μm.

S的測(cè)量方法

S=ns·pVn圖象傳感器(IS)輸出的視頻信號(hào)經(jīng)放大器A放大，再經(jīng)峰值保持電路PH和采樣保持電路S/H處理，變成箱形波，送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行逐位A/D轉(zhuǎn)換，最后讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。判斷并確定兩暗紋之間的像元數(shù)ns，則暗紋寬度S=ns·p(p為圖象傳感