电荷耦合器件

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1、7.3固体摄像器件7.3.1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。图7-25CCD的单元与线阵结构示意图MOS电容器的电学

2、特性：栅极未加电压时——P型Si内的多数载流子（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——形成反型层（沟道）。图7-26CCD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。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：（7-8）CCD中电荷包的转移：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

3、过程：开始时刻电荷包存储在栅极电压为10V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（2V）；经时间t1后，第1个栅极电压仍保持为10V，而第2个栅极的电压由2V→10V；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10V→2V、第2个栅极的电压仍为10V，势阱1收缩，电荷包流入势阱2中。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——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——当CCD用于信息存储或信息处理时

4、，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。图7-31电流输出方式电路图电流输出方式：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Id。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

5、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，使信号电荷沿沟道朝一定的方向转移，最后经输出电路形成一维时序信号。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。（7-9）电荷转移损失率（7-10）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；

6、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。（7-12）图7-32四种不同CCD的光谱响应特征曲线①前照式单层多晶硅；②减薄背照式；③前照式虚相结构；④前照式多晶硅/透明金属氧化物型平均量子效率：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100lx以后，输出有饱和现象

7、。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。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MTF1、光生载流子横向扩散衰减决定的MTFD和转移效率决定的MTFT，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：（7-13）三相CCD工作频率的上限：（7-14）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

8、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