光电检测c9PPT

固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。二、光电成像器件的类型光电成像器件（成像原理）扫描型非扫描型真空电子束扫描固体自扫描：CCD光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管变像管（完成图像光谱变换）红外变像管紫外变像管X射线变像管像增强管（图像强度的变换）串联式级联式微通道板式负电子亲和势阴极常由像敏面，电子透镜＆显像面构成60年代末期，美国贝尔实验宝W．S．波涅尔、G．E．史密斯等人在研究磁泡时，发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一新概念和一维CCD器件模型。同时预言了CCD器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前景。鉴于美国MOS器件工艺及硅材料研究的雄厚基础，这种新型器件的设想很快得到了实现，ChargeCoupledDevice(CCD)至1974年，美国Rch公司的(512×320)象元面阵CCD摄像机问世。随着大规模集成电路工艺的不断完善和推广．其它一些国家也相继赶上、纷纷研制成功CCD器件。美国是世界上芯片（IC）设计、制造、加工工艺高度发达的国家。在CCD传感器和应用电视技术方面，以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的CCD摄像机占有绝对优势。日本是一个电子工业产业化最发达的国家之一。在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位，尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备基本上包揽了全世界的大部分市场。由于日本本国的新产品更新换代速度很快，所以无论在产品的产量上还是在产品的质量上都占据世界首位。ChargeCoupledDevice(CCD)CCD的单元结构a)CCD单元b)CCD线阵列CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）结构。如果衬底接地，突然给金属极板加一个正的电压UG（栅极电压），则金属极板和衬底之间就会产生一个电场。这个电场就要迫使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区，这个耗尽区也称为表面势阱。金属氧化物SiO2沟阻耗尽区（势阱）衬底少数载流子P－Si势阱信号电荷表面势(a)剖面图(c)有信号电荷势阱图SiO2金属栅极GV(b)结构GV接地光照+P型硅衬底光生电子空穴表面势阱的深度，近似地与极板上所加的电压成正比（在形成反型层之前）。这时，电子在表面处的势能为Ep＝－qUs，其中的Us称为表面势，即半导体表面对于衬底的电势差。如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。电荷包的储存因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为：Q＝CoxUGCox：单位面积氧化层的电容电荷包的光注入机构MOS电容器的耦合当两个金属栅彼此足够靠近时，其间隙下的表面势将由两个金属栅极的电位决定，从而就能够形成两个MOS电容器下面耗尽层的耦合，使一个MOS电容器中存储的信号电荷转移到下一个MOS电容器中去。电荷包的转移CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板。同理，除了有三相CCD外，还有二相的、四相的CCD。二相CCD的时钟波形对称，但氧化层（SiO2）厚度不均匀，从而极板下面的势阱也不均匀。因此电荷包也会沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。对于二相CCD，时钟电压波形每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，每变化一个周期，则转移过二个极板。由此可见，CCD具有移位寄存器的功能。电荷包的输出机构利用二极管的输出机构CCD电荷包输出机构的形式很多，其中最简单的是利用二极管的输出机构与Φ1Φ2Φ3相连的电极称为栅极，与OG相连的电极称为输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和其它栅极一样，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱。它的势阱介于Φ3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把二者连通起来，因此可以通过改变OG上所加的电压来控制它下面的通道。例如，电荷包已由Φ2转入Φ3，当Φ3下的势阱由深变浅的同时，OG下的势陇正好也比较深，这时Φ3势阱中的电荷包就能够通过OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因此电荷包一进入二极管的耗尽区，即可被迅速地拉走，成为输出回路的电子流。因此，在没有电荷包输出时，a点为高电平，而有电荷包输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降，a点则为低电平，a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，所以这个电压变化即是输出信号。实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，CCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移不是借助于外来的扫描，而是依靠驱动脉冲来完成的，故也称为自扫描。根据光敏象素的排列方式，CCD摄象器件分为线阵列和面阵列两大类。CCD摄象器件线阵CCD外形线阵列CCD摄象器件光电二极管阵列和CCD移位寄存器统一集成在一块半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为P－Si，光电二极管阵列中各单元彼此被SiO2隔离开，排成一行，每个光电二极管即为一个象素。各光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用，与分立元件时的原理相同。如图中Φp（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的电子-空穴对中的空穴被PN结的内电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于PN结的耗尽区中。在入射光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进行，从而即可得到光生电荷的积累转移栅（Φx）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电荷（电荷包）流入CCD的通道。这时，电荷包并行地流入CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在CCD中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。对于二相CCD，时钟电压波形，每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，变化一个周期，则转移过二个极板。因为二相CCD是二个极板对应着一个光敏元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相CCD，时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板，时钟电压波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离，正好是一个光敏元的中心距。对于线阵列CCD摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。面阵列CCD摄象器件RAIN(PHOTONS)BUCKETS(PIXELS)VERTICALCONVEYORBELTS(CCDCOLUMNS)HORIZONTALCONVEYORBELT(SERIALREGISTER)MEASURINGCYLINDER(OUTPUTAMPLIFIER)1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCDExposurefinished,bucketsnowcontainsamplesofrain.1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCDConveyorbeltstartsturningandtransfersbuckets.Raincollectedontheverticalconveyoristippedintobucketsonthehorizontalconveyor.1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCDVerticalconveyorstops.Horizontalconveyorstartsupandtipseachbucketinturnintothemeasuringcylinder.1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD`Aftereachbuckethasbeenmeasured,themeasuringcylinderisemptied,readyforthenextbucketload.1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCDAnewsetofemptybucketsissetuponthehorizontalconveyorandtheprocessisrepeated.1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCD1.PrincipleofCCD1.5ChargeTransferofAreaCCDEventuallyallthebucke