电荷耦合器件

第三章电荷耦合器件Charge-coupleddevice电荷耦合器件（CCD）属于一种集成电路，只不过它具有多种独特功能。通过CCD可以实现光电转换、信号储存、转移（传输）、输出、处理以及电子快门等一系列。CCD是使用最广泛的固体摄像器件，按照结构可分为两大类：线阵和面阵器件，它们的工作原理基本相同，但结构各有特点。在测量领域，线阵CCD用的最多。本次重点介绍线阵CCD。上一页下一页返回第三章电荷耦合器件Charge-coupleddevice在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。电荷耦合元件(Charge-coupledDevice)简称CCD，作为一种集成电路，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。上一页下一页返回名词“势阱”解释概念粒子在某力场中运动，势能函数曲线在空间的某一有限范围内势能最小，形如陷阱，称为势阱。就是电子的势能图像类似一个波的形状，那么当电子处于波谷，就好像处在一口井里，比较稳定，很难跑出来。所以称为势井或势阱。不单单是量子力学里有这个势井，任何形式的势只要具有这种样子，我们都可以称它有势井/势阱，比如重力势井。量子力学与经典物理的在这里有一个小小的差别，就是量子力学里，电子具有某些概率穿过势井跑出来，称之为隧道效应。隧道电子显微镜就是利用这个原理。名词“势阱”解释一维空间内运动的粒子，它的势能在一定区域内(-axa)为零，而在此区域外势能为无限大，即:U(x)=0，|x|a,U(x)=∞，|x|a.第三章电荷耦合器件3.1CCD的物理基础3.2电荷耦合器件的工作原理3.3CCD的性能参数3.4图像传感器的应用上一页下一页返回3.1电荷耦合器件的物理基础电荷耦合器件是一种基于MOS晶体管的器件，由一系列MOS晶体管并列而成，对其工作原理的理解可以先从MOS结构的晶体管物理特性入手。CCD的MOS结构不是工作在半导体表面的反型层状态，而是利用在电极下氧化物-半导体界面形成的深耗尽层工作的。CCD是基于非稳态MOS电容器的器件。上一页下一页返回3.1电荷耦合器件的物理基础上一页下一页返回在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为0.1-0.2微米的SiO2层，然后按一定次序沉积N个金属电极作为栅极，栅极间的间隙约2.5µm，电极的中心距离15～20µm，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个金属-氧化物-半导体结构，即MOS结构。信号电荷转移CCD的基本功能是存储与转移信息电荷为实现信号电荷的转换：1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。上一页下一页返回3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回3.2.1电荷耦合原理与电极结构构成CCD的基本单元是MOS结构。如图8-15（a）所示，当金属电极加上正电压时，接近半导体表面的空穴被排斥，电子增多，在表面下一定范围内只留下受主离子，形成耗尽区(图8-15（b）所示)。该区域对电子来说是一个势能很低的区域，也称势阱。加在栅极上的电压愈高，表面势越高，势阱越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回电荷包形成：当有光照时，光生电子被收集到势阱中，形成电荷包。一个MOS单元是一个光敏元件。3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回电荷耦合设t=t1时，已有信号电荷存贮在偏压为+10V的①号电极下的势阱里.当t=t2时，①电极和②电极均加有+10V电压，所形成的势阱就连通，①电极下的部分电荷就流入②电极下的势阱中。3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回当t=t3时，①电极上的电压由+10V变为+2V，下面的势阱由深变浅，势阱内电荷全部移入②电极下的深势阱中。由此，从t1→t3，深势阱从①电极下移动到②下面，势阱内的电荷也向右转移了一位。如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位一位地顺序传输。定向转移的实现在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每—位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。上一页下一页返回3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回3.2.2电极结构CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构形式。3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回四电极结构3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回3.2.3电荷转移CCD的电荷转移是由电极下势阱的规律变化实现的，在各势阱下施加一系列有规律变化的电压（驱动时序），就可以控制电极下电荷包的存储位置和移动方向。下面将分别介绍三相、两相CCD的电荷传输过程，四相CCD的驱动电路比较复杂，应用也不大普遍，我们不作介绍。三相CCD信息电荷传输原理图上一页下一页返回3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回二相CCD驱动CCD电荷的产生方式：电压信号注入CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。光信号注入CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。上一页下一页返回3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回3.2.3电荷的注入和检测CCD工作过程分三部分:信号输入、电荷转移和信号输出部分。输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：光注入和电注入。摄像应用在滤波、延迟线和存储器应用情况光注入：正面和背面光照式3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回Qin=ηqNeoAtc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。3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通道”流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回(a)选通电荷积分输出电路(b)驱动时钟波形和输出波形CCD的信号输出结构上一页下一页返回3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回CCD信号电荷的输出方式主要有电流输出、浮置扩大放大器输出和浮置栅级放大器输出。1.电流输出常用的电流输出结构如下图a所示，它包括输出栅OG和输出反向二极管以及片外放大器，栅级下面的电荷包经输出栅OG后，将的控制脉冲从高电平拉为低电平，同时提升二极管的电压，使其表面势升高以收集OG栅下的输出信号电荷，形成反向电流，通过负载电阻流入体外放大器。由于电荷转移到偏置的输出扩散结是完全的电荷转移过程，本质上是无噪声的，影响读出线性的主要是与输出二极管相关的电容大小，输出的信号噪声则取决于体外放大器的噪声。333.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回2.电压输出333.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回电压输出有浮置扩散放大器（FDA）和浮置栅放大器（FGA）等方式，浮置扩散放大器如上图b所示。在于CCD同一芯片上集成了两个MOSFET，即复位管VT1和放大管VT2。在下的势阱未形成之前，加复位脉冲使复位管VT1导通，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过VT2的沟道抽走。当信号电荷到来时，复位管VT1截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位，栅极电势为2.电压输出rFDSoutCQU/33.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回式中，为浮置扩散节点上的总电容。在输出端获得的放大了的信号电压为FDSoutCQU/FDCLmLmoutoutRgRgUU1'式中，为MOS管VT1栅极与源级之间的跨导。mg3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回对读出之后，再次加复位脉冲，使复位管VT1导通，通过VT2的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期的信号电荷到来，如此循环。这种电压输出结构，由于所有的单元都做在同一衬底上，因此抗噪声性能比电流输出方式好。不过，上述两种输出方式均为破坏性的一次性读出。另外还有非破坏性读出的输出电路结构。outUr3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回输出部分由输出二极管、输出栅和输出耦合电路组成，作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用，它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度(数百毫伏)，以及良好的线性和较低的输出阻抗。3.2电荷耦合器件的工作原理上一页下一页返回输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系Qs=Iddt(8-10)3.3电荷耦合器件的性能参数上一页下一页返回3.3.1电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。设原有的信号电荷为，转移到下一个电极下的信号电荷，其比值%01QQ称为转移效率没有被转移的电荷Q′与原信号电荷之比0QQ称为转移损失率电荷转移效率与损失率的关系为14．3．2CCD图像传感器利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的—致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。线列和面阵上一页下一页返回影响转移效率的因素很多，其中最主要因素还是表面态对信号电荷的俘获。为此，采用“胖零”工作模式，所谓“胖零”工作模式就是让“零”信号也有一定的电荷来填补陷阱，这就能提高转移效率和速率。一个CCD器件如果总转移效率太低，就失去实用价值。当信号电荷转移n个电极后的电荷为时，总转移效率为nQnnnneQQ)1(0CCD受光照的方式有正面受光和背面受光两种。背面光照的光谱响应曲线与光电二极管相似，如下图中曲线2。如果在背面镀以增透膜减少反射损失而使响应率有所提高，如图中曲线3。正面照射时，由于CCD的正面布置着很多电极，光线被电极多次反射和散射，一方面使响应率减低，另一方面多次反射产生的干涉效应使光谱响应曲线出现起伏，如图中曲线1所示。3.2.2光谱响应率和干涉效应为了减小在短波方向多晶硅的吸收，用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做电极，可以减小起伏幅度。CCD由很多分立的光敏单元组成，根据奈奎斯特定律，它的极限分辨率为空间采样频率的一半，如果某一方向上的象元间距为p，则在此方向上象元的空间频率为1/p(线/毫米)，其极限分辨率将小于1/2p（线对/毫米）。若用调制函数来评价CCD的图像传递特性，那么，CCD的总调制函数MTF取决于器件结构（象元宽度、间距）所决定的几何MTF1、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等与三者的乘积。并且总MTF随空间频率的提高而下降。3.3.3分辨率和调制传递函数（MTF）3.3.4动态范围动态范围表