光電子技術(shù)課件

教學目的1、把握CCD的構(gòu)造和工作原理、光電成像原理、光電成像光學系統(tǒng)；2、了解微光像增加器件和纖維光學成像原理。教學重點與難點重點：CCD的構(gòu)造和工作原理、光電成像原理、光電成像光學系統(tǒng)的組成。難點：CCD的構(gòu)造和工作原理、調(diào)制傳遞函數(shù)的分析。1§0光電成像概述一、光電成像系統(tǒng)的分類：依據(jù)光電成像系統(tǒng)對應的光波長范圍，光電成像系統(tǒng)可以分為：可見光、紫外光、紅外光、X光光電成像系統(tǒng)。2二、光電成像系統(tǒng)要爭論的問題光電成像涉及到一系列簡單的信號傳遞過程。有四個方面的問題需要爭論：能量方面——物體、光學系統(tǒng)和接收器的光度學、輻射度學性質(zhì)，解決能否探測到目標的問題成像特性——能區(qū)分的光信號在空間和時間方面的細致程度，對多光譜成像還包括它的光譜區(qū)分率3噪聲方面——打算接收到的信號不穩(wěn)定的程度或牢靠性信息傳遞速率方面——成像特性、噪聲信息傳遞問題，打算能被傳遞的信息量大小4三、光電成像系統(tǒng)根本組成的框圖其中光電成〔攝〕像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。5§1固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息〔可見光、紅外輻射等〕，轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號。其視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。6固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件〔ChargeCoupledDevice，即CCD〕互補金屬氧化物半導體圖像傳感器〔即CMOS〕電荷注入器件〔ChargeInjenctionDevice，即CID〕目前，前兩種用得較多，我們這里只分析CCD一種。7一、電荷耦合攝像器件電荷耦合器件〔CCD〕特點——以電荷作為信號。CCD的根本功能——電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移。CCD工作過程——信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程。8〔1〕、CCD的根本構(gòu)造包括：轉(zhuǎn)移電極構(gòu)造、轉(zhuǎn)移溝道構(gòu)造、信號輸入構(gòu)造、信號輸出構(gòu)造、信號檢測構(gòu)造。構(gòu)成CCD的根本單元是MOS電容。1、電荷耦合器件的根本原理9一系列彼此特別接近的MOS電容用同一半導體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長均勻、連續(xù)的氧化層，在氧化層外表排列相互絕緣而且距離微小的金屬化電極〔柵極〕。10〔2〕、電荷存儲以襯底為P型硅構(gòu)成的MOS電容為為例。當在金屬電極加上一個正階梯電壓時，在Si-SiO2界面處的電勢發(fā)生變化，四周的P型硅中的多數(shù)載流子-空穴被排斥，形成耗盡層。假設柵極電壓超過MOS晶體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度盡狀態(tài)，電子在那里勢能較低-形成了一個勢阱。如有信號電子，將聚攏在外表，實現(xiàn)電荷的存儲。此時耗盡層變薄。勢阱的深淺打算存儲電荷力量的大小。11〔3〕、電荷轉(zhuǎn)移CCD的轉(zhuǎn)移電極相數(shù)有二相、三相、四相等。對于單層金屬化電極構(gòu)造，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以三相外表溝道CCD為例。外表溝道器件，即SCCD〔SurfaceChannelCCD〕——轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。12外表溝道器件的特點：工藝簡潔，動態(tài)范圍大，但信號電荷的轉(zhuǎn)移受外表態(tài)的影響，轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率底，工作頻率一般在10MHz以下。13體內(nèi)溝道〔或埋溝道CCD〕：BCCD〔BulkorBuriedChannelCCD〕——用離子注入方法轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)移溝道的構(gòu)造，從而使勢能微小值脫離界面而進入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避開了外表態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達99.999％以上，工作頻率可高達100MHz，且能做成大規(guī)模器件。14〔4〕、光信號的注入CCD的電荷注入方式有電信號注入和光信號注入兩種，在光纖系統(tǒng)中，CCD接收的信號是由光纖傳來的光信號，即承受光注入CCD。當光照到CCD時，在柵極四周的耗盡區(qū)吸取光子產(chǎn)生電子-空穴對，在柵極電壓的作用下，多數(shù)載流子〔空穴〕流入襯底，少數(shù)載流子〔電子〕被收集在勢阱中，存儲起來。這樣能量高于半導體禁帶的光子，可以用來建立正比于光強的存儲電荷。光注入的方式常見的有：正面照射和反面照射方式。15〔5〕、電荷檢測〔輸出〕CCD輸出構(gòu)造是將CCD傳輸和處理的信號電荷變換為電流或電壓輸出。電荷輸出構(gòu)造有多種形式，如電流輸出構(gòu)造、浮置集中輸出構(gòu)造、浮置柵輸出構(gòu)造等。浮置柵輸出構(gòu)造應用最廣。16OG：輸出柵，F(xiàn)D：浮置集中區(qū)，R:復位柵，RD:復位漏,T:輸出場效應管。浮置柵是指在P型硅襯底外表用V族雜質(zhì)集中形成小塊的n+區(qū)域，當集中區(qū)不被偏置，其處于浮置狀態(tài)。17電荷包的輸出過程：VOG為肯定值的正電壓，在OG電極下形成耗盡層，使Φ3與FD之間建立導電溝道。在Φ3高電位期間，電荷包存儲在Φ3電極下面。隨復位柵R加正復位脈沖ΦR，使FD區(qū)與RD區(qū)溝通。因VRD為正十幾伏的直流偏置電壓，則FD區(qū)的電荷被RD區(qū)抽走。復位正脈沖過去后，F(xiàn)D區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有肯定的浮置。之后Φ3轉(zhuǎn)變?yōu)榈纂娢唬?電極下面的電荷包通過OG下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。18對CCD的輸出信號進展處理時，較多地承受了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復位高脈沖及抑制噪聲。浮置柵CCD放大輸出信號的特點是：信號電壓是在浮置電平根底上的負電壓；每個電荷包的輸出占有肯定的時間長度T；在輸出信號中疊加有復位期間的高電平脈沖。192、電荷耦合攝像器件的工作原理CCD的電荷存儲、轉(zhuǎn)移的概念+半導體的光電性質(zhì)——CCD攝像器件按構(gòu)造可分為線陣CCD和面陣CCD按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD