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1、7.3固体摄像器件电荷耦合器件1.电荷耦合器件的结构与工作原理 电荷耦合器件 以电荷作为信号载体的半导体光电器件，简称CCD。CCD的分类：表面沟道电荷耦合器件（SCCD）信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界 面，并沿界面传输。体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。CCD的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称 MOS结构）。 CCD线阵：由多个像素（一个 MOS单元称为一个像素）组成。tb) PSi Cl IMW图7-25 CCD的单元与线阵结构示意图MOS电容器的电学特性：栅极未加电压时 P型Si内的
2、多数载流子（空穴）均匀分布。栅极施加正电压 UG后 在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱） 电压UG超过阈值电压Uth时一一形成反型层（沟道）。电压时，叱冗均匀分弗ihl tJlL -t/u (时，羽曲*E尽何图7-26 CCD栅极电压UG的变化对P型Si耗尽区的影响电荷包的存储：CCD单元能够存储电荷包、其存储能力可通过调节Ug而加以控制。in亠收歸怖的蛊面协原来的焉if莆临芒的占浙勢(c)tbi电荷也填充I戸势阱简空势廉需崖耳电压匚相叢图7-27注入电荷包时,势阱深度随之变化的示意图每个金属栅极下的势阱中能够存储的最大（信息）电荷量为:Q =Cx Ug Ad(7-8)CCD中电荷包
3、的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷而变浅的）势阱转入相邻 的深势阱。三相CCD中电荷包的转移过程：开始时刻电荷包存储在栅极电压为10 V的第1个栅极下的深势阱里，其他栅极上加有大于阈值的低电压（2 V）;经时间ti后，第1个栅极电压仍保持为 10 V，而第2个栅极的电压由2 Vt 10 V ; 栅极靠得很近的两个势阱发生耦合，使原来在第1个势阱中的电荷包被耦合势阱共享在t2时刻，第1个栅极的电压由10 Vt 2 V、第2个栅极的电压仍为10 V，势阱 1收缩，电荷包流入势阱 2中。|0V 2V 2V芙y存自电荷的势阱2 l(iV2VHft-2斷势阱山时則、捣极2的业压升品, 2v iii
4、v iov 2v2VI0 -2VI0V 2VFE荷在移N锻山时剣.檯】的num低，特阱收塚 2V 2V 10V :V（1|诃【时种聲冲图7-28三相CCD中电荷包的转移过程示意图电荷包的注入方式:光注入一一光束直接照射 P型Si-CCD衬底，分为正面照射与背面照射两种。 电注入一一当CCD用于信息存储或信息处理时，通过输入端的输入二极管和输入 栅极，把与信号成正比的电荷注入到相应的势阱中。电流输出方式：如图7-31所示。当电荷包在驱动脉冲的作用下向右转移到最末一个转移栅极CR2下的势阱中后，若CR2电极上 的电压由高变低，则势阱收缩，电荷包通过 栅极OG下面的沟道进入 N +区。N+区对电 子
5、来说相当于一个深势阱，进入N+区后的电荷包将被迅速拉走而产生电流ld。因此A点的电位Ua （= UD-Id R）发生变化。进入 二极管的电量Qs越大，Id越大，Ua下降越 厉害。利用Ua的变化来检测 Qs。隔直电容 C将Ua的变化量取出，并通过场效应放大 器的OS端输出。CCD工作过程概述：先将半导体产生 的（与照度分布相对应）信号电荷注入到势 阱中，再通过内部驱动脉冲控制势阱的深浅， 输出电路形成一维时序信号。图7-31电流输出方式电路图使信号电荷沿沟道朝一定的方向转移，最后经2.CCD的主要特性参数电荷转移效率 一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比。 Q1(7-9)电
6、荷转移损失率(7-10)= QQi 亠Qo转移效率是电荷耦合器件能否实用的重要因素。暗电流：CCD在无光注入也无电注入情况下的输出信号。 暗电流的主要来源：半导体衬底的热激发；耗尽区内的产生-复合中心的热激发（此为主要原因）；耗尽区边缘的少数载流子的热扩散；SiO2/Si界面处的产生-复合中心的热激发。灵敏度：投射在光敏像元上的单位辐射功率所产生的输出信号电压或电流。Sv 二Us(7-12)平均量子效率：在整个波长范围内的灵敏度。 光谱响应：CCD光谱响应与光敏面结构、 光束入射角及各层介质的折射率、厚度、消光 系数等多个因素有关。光电特性：输出电压与输入照度之间的关 系。对于Si-CCD，在
7、低照度下，其输出电压与 输入照度有良好的线性关系；而当输入照度超 过100 lx以后，输出有饱和现象。CCD的噪声：主要包括散粒噪声、转移噪 声和热噪声。分辨率：实际中，CCD器件的分辨率一般 用像素数表示，像素越多，则分辨率越高。极限分辨率：空间采样频率的一半。?,IOO%04 0,5 0.6 0.7 OK 0.9 1.01|图7-32四种不同CCD的光谱响应特征曲线前照式单层多晶硅；减薄背照式；前照式虚相结构；前照式多晶硅 /透明金属氧化物型调制传递函数（MTF ）:取决于器件结构（像 素宽度、间距）所决定的几何 MTF 1、光生载流 子横向扩散衰减决定的MTF d和转移效率决定的MTFt
8、，总的MTF是三项的乘积。CCD总的MTF随图像中各成分空间频率的提高而下降。 三相CCD工作频率的下限：f 11 min (7-13)3%三相CCD工作频率的上限：1f max 1 -(7-14)3%CCD器件的动态范围：势阱中可以存储的最大电荷量（或输出的饱和电压Usat）与暗场（无光信号）情况下的噪声峰-峰值电压Up-p之比。动态范围表征 CCD器件能够正常工作的 照度范围。增大动态范围的途径是降低暗电流，特别是控制暗电流尖峰。3电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 一类可将二维光学图像转换为一维时序电信号的功能器件，由光电 探测器阵列和CCD移位寄存器两个功能部分组成，简称为CCD。可分为
9、线阵和面阵两大类型。图7-33三相单沟道线阵CCD摄像器件的结构输出机构电匚CXD修位寄存剁单沟道线阵CCD结构：由行扫描电压 p、光敏二极管阵列、转移栅 x、三相CCD 移位寄存器、（2、3）驱动脉冲和输 出机构等构成。单沟道线阵CCD工作原理：在光积分 时间内，行扫描电压 为高电平、转移栅 4为低电平，光敏二极管阵列被反偏置、并与CCD移位寄存器彼此隔离，在光辐射的 作用下产生信号电荷并存储在光敏元的势 阱中，形成与入射光学图像相对应的电荷包 的“潜像”。当转移栅X为高电平时，光敏 阵列与移位寄存器沟通，光敏区积累的信号电荷包通过转移栅X并行地流入 CCD移位寄存器中。在光积分时间内，已流
10、入CCD移位寄存器中的信号电荷在三相驱动脉冲的作用下， 按其在CCD中的空间排列顺序，通过输出机构串行地转移出去，形成一维时序电信号。单沟道线阵CCD特点及应用：单沟道线阵CCD的转移次数多、转移效率低、调制传 递函数MTF差，只适用于像素数较少的摄像器件。双沟道线阵CCD结构：有两列CCD模拟移位寄存器 A、B,分列在光敏阵列的两边。 双沟道线阵CCD工作原理：当转移栅A、B为高电位（对于 N沟道器件）时，光敏阵 列势阱里存储的信号电荷包将同时按照箭头指定的方向分别转移到对应的移位寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移，最后经过输出放大器以一维时序电信号的方式输出。双沟道线阵 CCD特
11、点：同样光敏单元数目的双沟道线阵CCD的转移次数比单沟道线阵CCD减少一半，转移时间缩短一半，总转移效率大大提高。时斡脉冲vnmnnrn时种脉冲时神脸神rr图7-35双沟道线阵CCD的结构图7-37帧转移三相面阵CCD的原理结构图二维面阵CCD摄像器件按一定的方式将一维线阵的光敏单元和CCD移位寄存器排列成二维阵列。可分为帧转移方式、隔列转移方式、 线转移方式和全转移方式等四种。帧转移面阵CCD工作原理：当光敏区开始进 行第二帧图像的光积分时，暂存区利用这一时间， 将电荷包一次一行地转移给 CCD移位寄存器，变 为串行时序电信号输出。当CCD移位寄存器将其中的一行电荷包输出完毕，暂存区里的电荷
12、包再 向下移动一行，又转移给 CCD移位寄存器。当暂 存区中的电荷包被全部转移完毕，再进行第二帧 电荷包的转移。帧转移面阵CCD的特点：结构简单、光敏像 元的尺寸很小、调制传递函数 MTF较高，但光敏 面积占总面积的比例（填充因子）小。常用面阵CCD的像素数有 512 X 512、1024 X 768等，帧频可高达1200帧/秒，响应波长可涵盖紫外、可见光和红外波段。微光CCD的构成方法:将像增强器与 CCD耦合起来，构成图像增强型 CCD （简称IICCD ）; 用光电子轰击 CCD的光敏元件，构成电子轰击型 CCD （简称EBCCD）； 在CCD芯片的转移寄存器与输出放大器之间增加一个特殊
13、的增益寄存器（对信 号电荷进行倍增），构成电子倍增 CCD （简称EMCCD）；像增强器与CCD的耦合方式：光学耦合方式，利用光学成像系统将像增强器与CCD耦合起来；光纤耦合方式，利用光纤面板（光纤锥）将像增强器与CCD直接耦合起来。CCD比#卿盘方式CCD图7-38像增强器与CCD芯片的耦合方式电子轰击型CCD基本原理：入射光子照射光电阴极后 转换为光电子，光电子被电子光学系统加速并聚焦成像在 CCD的光敏面上，高速轰击CCD，光敏元件中产生信号电 荷，信号电荷再由转移寄存器输出。电子轰击型CCD特点：灵敏度高、暗电流小，但工作 寿命短。电子倍增CCD原理：增益寄存器的结构与一般的 CCD图
14、7-39近贴式EBCCD的结构类似，只是在电子转移过程第二阶段的势阱被一对高压（4050）V电极下的深势阱取代，信号电子在高压下被电离、形成新的电子。每次电离后的电子数目约为原来的1.015倍，通过数百次的电离，可使输出信号的强度大幅提高。电子倍增CCD特点： 信噪比高，空间分辨率好于IICCD，输出图像的质量更好。微光CCD的应用：于军事、天文观测等高性能光电探测。微透镜的作用：使原本洛入介电层上（死区）的光子因微透镜的聚焦作用而偏折洛入光微透镜阵列与CCD摄像器件的集成的目的：采用CCD与微透镜集成可提高 CCD的填充因子、提高其灵敏度及信噪比（SNR ）。敏区，从而提高填充因子。光載诞死区（b） *肚凸透蛙图7-41微透镜阵列与CCD摄像器件集成的两种形式