《电荷耦合摄像器》PPT课件

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1、图像传感技术主讲：李子印中国计量学院第二章电荷耦合摄像器件CCD（ChargeCoupledDevice）突出特点:以电荷为信号的载体；工作过程：信号电荷的产生、存储、转移和检测；基本类型：表面沟道CCD(SCCD)-电荷包存储在半导体和绝缘体之间的界面，并沿界面转移；体沟道CCD(BCCD)-电荷包存储在距离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移；2.1概述构成CCD的基本单元是MOS(MetalOxideSemiconductor金属－氧化物－半导体)；P型半导体中杂质为周期表中第Ⅲ族的元素，空穴为多数载流子。2.2电荷存储构成CCD的基本单元是MOS

2、(金属－氧化物－半导体)；N型半导体中杂质为周期表中第Ⅴ族的元素，电子为多数载流子。2.2电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属－氧化物－半导体)；紧密地排列在半导体氧化层表面上的金属电极能够存储和转移电荷。2.2电荷存储2.2电荷存储随着电压的增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸；UG大于Uth后，耗尽区的深度与UG成正比；2.2电荷存储表面势随着栅极电压的增高而增高；氧化层的厚度约薄，曲线的直线性越好；表面势表征了耗尽区的深度；2.2电荷存储表面势随反型层电荷密度的增加而线性减小；半导体与氧化层的交界处势能最低，吸引电子；构成CCD的基本单元是MOS(金属－氧化物－

3、半导体)；紧密地排列在半导体氧化层表面上的金属电极能够存储和转移电荷。2.2电荷存储2.2电荷存储势阱中电荷的存储容量：Q=COXUG电荷耦合即电荷转移；通过将按一定规律变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动；通常把CCD分为几组，每一组称为一相，并施加相同的时钟驱动脉冲。2.3电荷耦合2.3电荷耦合三相CCD的电荷在三相交叠驱动脉冲的作用下，能以一定的方向逐单元地转移；CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。2.3电荷耦合以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD；以空穴为信号电荷的C

4、CD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD；N型CCD比P型CCD的工作频率高很多。为什么呢？电子的迁移率（单位场强下电子的运动速度）远大于空穴的迁移率2.3电荷耦合CCD电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输入单元结构和信号检测单元结构；CCD转移电极的结构很多；必须满足使电荷定向转移和相邻势阱耦合的基本要求。2.4CCD的电极结构2.4.1三相单层铝电极结构2.4CCD的电极结构光学系统CCD22.4.2三相电阻海结构2.4CCD的电极结构2.4.3三相交叠硅栅结构2.4CCD的电极结构2.4.4二相硅-铝交叠栅结构2.4CCD的电极结构被测物光学系统2

5、CCD2光学系统1重叠部分2.4.5阶梯状氧化物结构2.4CCD的电极结构2.4.6四相CCD2.4CCD的电极结构模拟信号2.4.7体沟道CCD2.4CCD的电极结构表面沟道CCD的信号电荷只在贴近界面的极薄衬底内运动，由于界面处存在陷阱，信号电荷转移过程中将受到影响，从而降低了器件的工作速度和转移效率；体沟道CCD在半导体体内设置信号的转移沟道，减轻或避免了上述问题。2.4.7体沟道CCD2.4CCD的电极结构原理：2.5电荷的注入和检测2.5.1光注入当光照射到CCD的硅片上，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱

6、中形成信号电荷。式中：η为材料的量子效率；q为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。2.5电荷的注入和检测2.5.1光注入注入时间tc由CCD驱动器的转移脉冲的周期决定；注入到CCD势阱中的信号电荷只与入射光的光子流速率Neo成正比；另外，入射光的光子流速率与光谱辐射通量成正比。2.5电荷的注入和检测2.5.1光注入所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。2.5电荷的注入和检测2.5.2电注入N+扩散区和P型衬底构成注入二极管；IG为CCD的输入栅，其上加

7、适当的正电压，以保持开启作为基准电压；模拟输入信号Uin加在输入二极管ID上。2.5电荷的注入和检测2.5.2电注入电压注入法与电流注入法不同之处在于输入电极上加有与CR2同位相的选通脉冲，但其宽度小于CR2的脉宽；在选通脉冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅CR2的势阱中，直到势阱的电位与N＋区的电位相等；CR2下势阱中的电荷向下一级转移之前，由于选通脉冲已经截至，输入栅下的势垒开始把CR2下和N+的势阱分开。2.5电荷的注入和检测2.5.2电注入CCD在信号转移过程中与时钟信号没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免；选择合