CCD图像感器第讲.ppt

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1、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；4.1电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(MetalOxideSemiconductor金属－氧化物－半导体)；CMOS是ComplementaryMetalOxideSemiconductor（互补金属氧化物半导体）CCD是Charge-coupledDevice（电荷耦合元件）

2、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。4.1电荷存储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。4.1电荷存储4.1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；4.1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；4.1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－半导体)；紧密地排列在半导体氧化层表面上的金属电

3、极能够存储和转移电荷。4.1电荷存储4.1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。4.2电荷耦合4.2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。4.2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CCD称为P型沟道

4、CCD，简称为P型CCD；N型CCD比P型CCD的工作频率高很多。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4.2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。4.3CCD的电极结构三相单层铝电极结构4.3CCD的电极结构光学系统CCD2三相电阻海结构4.3CCD的电极结构三相交叠硅栅结构4.3CCD的电极结构二相硅-铝交叠栅结构4.3CCD的电极结构被测物光学系统2CCD2光学系统1重叠部分阶梯状氧

5、化物结构4.3CCD的电极结构四相CCD4.3CCD的电极结构模拟信号体沟道CCD4.3CCD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。体沟道CCD4.3CCD的电极结构原理：4.4电荷的注入和检测光注入当光照射到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中形成信号电荷。式中：η为材料的量子效率；q为电子电

6、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。4.4电荷的注入和检测光注入注入时间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。4.4电荷的注入和检测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。4.4电荷的注入和检测电注入N+扩散区和P型衬底构成注入二极管；IG为CCD的输入栅，其上加适当的正电压，以保持开启作为基准电压；模拟输入信号

7、Uin加在输入二极管ID上。4.4电荷的注入和检测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。4.4电荷的注入和检测电注入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；选择合适的输出电路，尽可能地减小时钟脉冲对输出信号的容性干扰；目前CCD主要采用电流输出方

8、式的电路。4.4电荷的注入和检测电荷的检测由检测二极管、二极管的偏置电阻R、源极输出放大器和复位场效应管VR等单元构成；信号电荷在转移脉冲的驱动下转移到最末一级转移电极CR2中；