光电子技术ppt课件.ppt

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1、第六章光电成像技术第六章光电成像技术概述：1、光电成像系统按照波长分类：可见、紫外和红外。2、光电成像过程需要考虑的几个问题：能量转换—物体、光学系统、接收器（光、辐射度）成像特性—分辨能力噪声特性—接收到信号的可靠性程度，探测器能力传递速率—探测器的响应问题第六章光电成像技术真空摄像器件，是利用靶面上的光敏材料把来自目标的光学图像转变成靶面上的电学图像，再通过电子束的扫描将电学图像转化成仅随时间变化的一维电信号（视频信号），然后可将信号存储或发送出去。固体成象器件不需要靶来进行光学图像的转换和电子束扫描输出图像，器件本身就能完成光学图像转换、信息存储和按顺序输出（自扫

2、描）视频信号。第六章光电成像技术固体成象器件主要有两大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD）和自扫描光电二极管列阵（SelfScannedPhotodiodArray—SSPD，又名MOS图像传感器）。本章介绍常见固体成象器件的结构、原理和应用。第六章光电成像技术固体成象器件与真空成象器件相比，有显著的优点：（1）固体化，体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，寿命长；（2）不保留残像，无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰；（3）对红外也敏感，用于夜视系统等；（4）位置精度高，可用于不接触精密测量；（5）视频信号与微机接口容易，便于图像的后续处理§6.1

3、电荷耦合器件的工作原理电荷耦合器件（CCD）在20世纪70年代由美国贝尔实验室首先研制成功，器件以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件以电流或电压作为信号。CCD有两种基本类型：表面沟道电荷耦合器件（SCCD），电荷包存储在半导体与绝缘体界面并沿界面传输；体内沟道电荷耦合器件（BCCD），电荷包存储在半导体体内并沿一定方向传输。我们主要讨论SCCD的结构原理6.1.1CCD的基本结构特点如图6-1所示，为CCD的结构示意图。在p或n型硅单晶衬底上生长一层厚1.2～1.5μm的SiO2层，再按一定次序沉积n个金属电极作为栅极，栅极间隙2.5μm，电极中心距为15～20μm

4、，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体构成了一个金属-氧化物-半导体结构，即MOS结构，这种结构再加上输入和输出就构成了n位CCD。6.1.1CCD的基本结构特点图6-1CCD的结构6.1.1CCD的基本结构特点如在CCD栅极上施加一定规律变化的正电压，则在p型硅表面形成不同深浅的势阱，可以存储信号电荷；势阱的深浅按一定规律变化，可使电荷沿表面传输，最后从输出栅极输出。6.1.2CCD的电荷存储原理CCD的基本单元，就是一个MOS结构（金属-氧化物-半导体，Metal-Oxide-Semiconductor），但与一般MOS器件的工作原理不同。一般MOS器件是利用半导

5、体表面的反型层工作的，而CCD是利用氧化物和半导体界面的深耗尽层（势阱）工作的，属于非稳态器件。1、稳态MOS结构的物理性质（1）多子堆积状态金属电极加负栅极电压（VG<0），在电场作用下，p型半导体中的空穴堆积在表面。（如图6-2左所示）（2）多子耗尽状态金属电极加正栅极电压（VG>0），但小于反型的阈值电压（VG

6、型阈值电压的正栅极电压（VG>Vth），电场排斥空穴，吸引电子，氧化物和半导体的界面处电子浓度大于空穴浓度，即形成反型层。这时MOS结构的状态称为强反型状态。（如图6-2右所示），2、瞬态特性CCD工作在VG>Vth，但尚未出现强反型的瞬态，属于非稳态器件。CCD栅极施加电压VG时，电极下半导体表面部分的空穴被排斥，形成一可填充负电荷的深势阱（一般称为深耗尽层），而周围热激发的电子进入此耗尽区需要一定时间，如果在此刻以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入信号电荷，这些信号电荷就会聚集于表面附近形成电荷包，这些电荷包就反映了待测信息。所以，信号电荷的注入时间必须小于热激

7、发电子的存储时间，否则，信号电荷不是存不进去，就是取不出来。因此，CCD是利用形成深耗尽层的瞬时进行信号的采集和存储的，属于非稳态器件。6.1.3CCD的电荷耦合传输过程1、电荷耦合原理可由图6-3来理解电荷的耦合过程。t=t1时，如图（a）所示，①电极的电压为10V，其它都为2V，则在①电极下形成深耗尽层，可存储电荷；t=t2时，如图（b）所示，①、②电极的电压均为10V，其它为2V，则在①、②电极下都形成深耗尽层，电荷开始由①向②传输；t=t3时，如图（c）所示，②电极的电压为10V，其它为2V，只在②电极下形成深耗尽层，电荷传输结束