固體攝像器件課件

12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-11

固體攝像器件12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-12§0光電成像概述一、光電成像系統(tǒng)的分類：

按照光電成像系統(tǒng)對(duì)應(yīng)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)。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-13二、光電成像系統(tǒng)要研究的問題光電成像涉及到一系列復(fù)雜的信號(hào)傳遞過程。有四個(gè)方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)的問題成像特性——能分辨的光信號(hào)在空間和時(shí)間方面的細(xì)致程度，對(duì)多光譜成像還包括它的光譜分辨率12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-14噪聲方面——決定接收到的信號(hào)不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面——

成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-15三、光電成像系統(tǒng)基本組成的框圖

其中光電成（攝）像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。

12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-16§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(qiáng)信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)——視頻信號(hào)。其視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。

12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-17固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-18一、電荷耦合攝像器件

電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號(hào)。

CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。

CCD工作過程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測的過程。

12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-19（1）、CCD的基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測結(jié)構(gòu)。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容。1、電荷耦合器件的基本原理

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一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導(dǎo)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，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-111（2）、電荷存儲(chǔ)

以襯底為P型硅構(gòu)成的MOS電容為為例。

當(dāng)在金屬電極加上一個(gè)正階梯電壓時(shí)，在Si-SiO2界面處的電勢(shì)發(fā)生變化，附近的P型硅中的多數(shù)載流子-空穴被排斥，形成耗盡層。如果柵極電壓超過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(shì)能較低-形成了一個(gè)勢(shì)阱。如有信號(hào)電子，將聚集在表面，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)。此時(shí)耗盡層變薄。勢(shì)阱的深淺決定存儲(chǔ)電荷能力的大小。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-112（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(duì)于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以三相表面溝道CCD為例。

表面溝道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。

12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-113表面溝道器件的特點(diǎn)：

工藝簡單，動(dòng)態(tài)范圍大，但信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受表面態(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。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-114

體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD）：

BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢(shì)能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999％以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件。

12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-115（4）、光信號(hào)的注入

CCD的電荷注入方式有電信號(hào)注入和光信號(hào)注入兩種，在光纖系統(tǒng)中，CCD接收的信號(hào)是由光纖傳來的光信號(hào)，即采用光注入CCD。

當(dāng)光照到CCD時(shí)，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，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(shì)阱中，存儲(chǔ)起來。這樣能量高于半導(dǎo)體禁帶的光子，可以用來建立正比于光強(qiáng)的存儲(chǔ)電荷。光注入的方式常見的有：正面照射和背面照射方式。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-116（5）、電荷檢測（輸出）

CCD輸出結(jié)構(gòu)是將CCD傳輸和處理的信號(hào)電荷變換為電流或電壓輸出。

電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如電流輸出結(jié)構(gòu)、浮置擴(kuò)散輸出結(jié)構(gòu)、浮置柵輸出結(jié)構(gòu)等。浮置柵輸出結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-117

OG：輸出柵，F(xiàn)D：浮置擴(kuò)散區(qū)，R:復(fù)位柵，RD:復(fù)位漏,T:輸出場效應(yīng)管。

浮置柵是指在P型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n+區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，其處于浮置狀態(tài)。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-118

電荷包的輸出過程：VOG為一定值的正電壓，在OG電極下形成耗盡層，使Φ3與FD之間建立導(dǎo)電溝道。在Φ3高電位期間，電荷包存儲(chǔ)在Φ3電極下面。隨復(fù)位柵R加正復(fù)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(fù)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)具有一定的浮置。之后Φ3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬?電極下面的電荷包通過OG下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-119

對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。

浮置柵CCD放大輸出信號(hào)的特點(diǎn)是：信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長度T；在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-1202、電荷耦合攝像器件的工作原理CCD的電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移的概念+半導(dǎo)體的光電性質(zhì)——CCD攝像器件按結(jié)構(gòu)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

可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-121（1）線陣CCD

線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。下圖(a)為單溝道，(b)為雙溝道。12光電子技術(shù)十四：光電成像系統(tǒng)-12212光電子