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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（Charge Coupled Device）,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(Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体)；P型半导体中杂质为周期表中第族的元素，空穴为多数载流子。,2.2 电荷存储,构成CCD的基本
2、单元是MOS(金属氧化物半导体)；N型半导体中杂质为周期表中第族的元素，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
3、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,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
4、信号电荷的CCD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。,2.4 CCD的电极结构,2.4.1 三相单层铝电极结构,2.4 CCD的电极结构,光学系统,CCD2,2.4.2 三相电阻海结构,2.4 CCD的电极结构,2.4.3 三相交叠硅栅结构,2.4 CCD的电极结构,2.4.4 二相硅-铝交叠栅结构,2
5、.4 CCD的电极结构,被测物,光学系统2,CCD2,光学系统1,重叠部分,2.4.5 阶梯状氧化物结构,2.4 CCD的电极结构,2.4.6 四相CCD,2.4 CCD的电极结构,模拟信号,2.4.7 体沟道CCD,2.4 CCD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CCD,2.4 CCD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
6、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：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
7、.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
8、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式的电路。,2.5 电荷的注入和检测,2.5.3 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；当CR2电极上的电压由高变低时，信号电荷便通过输出栅下的势阱进入反向偏置的二极管中。,VR,2.5 电荷的注入和检测,2.5.3 电荷的检测,由电源UD、电阻R、衬底P和N+区构成的输出二极管反向偏置电路，它对于电子来说相当于一个很深的势阱；进入方向偏置二极管中的电荷，将产生电流Id；
9、Id的大小与注入二极管中的信号电荷量QS成正比，而与R成反比。Qs=Iddt,VR,2.5 电荷的注入和检测,2.5.3 电荷的检测,Id越大，A点电位下降得越低；可以用A点的电位来检测注入到输出二极管中的电荷Qs；隔直电容将A点的电位变化取出，使其通过场效应放大器的OS端输出。,VR,2.5 电荷的注入和检测,2.5.3 电荷的检测,复位场效应管VR用于对检测二极管的深势阱进行复位；电阻R的大小对于检测的影响；复位场效应管在复位脉冲RS的作用下使复位场效应管导通，它导通的动态电阻远小于偏置电阻的阻值，以便使输出二极管中的剩余电荷通过场效应管流入电源，使A点的电位恢复到起始的高电平，为接收新的
10、信号电荷做好准备。,VR,2.5 电荷的注入和检测,2.5.3 电荷的检测,电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的CCD，又简称为ICCD,它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。,线型器件，它可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。,面阵CCD是二维的图像传感器，它可以直接将二维光学图像转变为视频信号输出。,2.6 电荷耦合摄像器件,2.6.1 工作原理,由光敏阵列、转移栅、CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成；光敏阵列一般由光栅控制的MOS光积分电容或PN结光电二极管构成；光敏阵列和CCD模拟移位寄存器之间通过转移栅相连，转移
11、栅既可以将光敏区与模拟移位寄存器分割开，也可以将其沟通；,2.6 电荷耦合摄像器件,线型CCD摄像器件的两种基本形式,1.单沟道线阵CCD,2.6 电荷耦合摄像器件,线型CCD摄像器件的两种基本形式,1.单沟道线阵CCD,转移栅为低电平，光敏单元与移位寄存器隔离，光敏区进行光电注入（光积分）；转移栅电极电压转变为高电平，光敏区积累的电荷转移到移位寄存器中；转移栅转变为低电平，移位寄存器在驱动脉冲的作用下，将信号电荷一位位地移出器件，并经放大形成时序信号（视频信号）。,2.6 电荷耦合摄像器件,线型CCD摄像器件的两种基本形式,1.单沟道线阵CCD,特点：转移次数多、效率低、调制转递函数MTF较
12、差，只适用于相敏单元较少的摄像器件。,具有两列CCD模拟移位寄存器A与B；双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，转移时间缩短一半；,特点：总转移效率大大提高；两个移位寄存器和两个输出放大器参数不可能完全一致造成奇偶输出信号的不均匀性；,2.6 电荷耦合摄像器件,线型CCD摄像器件的两种基本形式,1.双沟道线阵CCD,按照一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及其移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵CCD；按照排列方式的不同，面阵CCD分为帧转移方式、隔列转移方式、线转移方式和全帧转移方式等。,2.6 电荷耦合摄像器件,面阵CCD,由成像区、暂存区和水平读出寄存器三部分构成；
13、成像区由并行排列的若干个电荷耦合沟道组成，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道；暂存区的结构和单元数都与成像区相同，只不过均被金属铝遮蔽。,2.6 电荷耦合摄像器件,面阵CCD,1.帧转移面阵CCD,在场正程期间，成像区某一相电极为高电平，电荷被收集到这些电极下方的势阱中；光积分周期结束，进入场逆程，加到成像区和暂存区电极上的时钟脉冲将成像区所积累的电荷迅速转移到暂存区；进入下一个场正程。暂存区与水平读出寄存器按行周期工作。行逆程期间，信号电荷产生一行的平移；行正程期间，暂存区电位不变，水平读出寄存区在读出脉冲的作用下输出一行视频信号。,2.6 电荷耦合摄像器件,面阵CCD,1.帧转移面阵
14、CCD,特点：结构简单，光敏单元的尺寸可以很小，调制传递函数MTF较高；但光敏面积占总面积的比例小。,2.6 电荷耦合摄像器件,面阵CCD,1.帧转移面阵CCD,每一个相敏单元对应于两个遮光的读出寄存器单元；每列相敏单元均被读出寄存器所隔；,2.6 电荷耦合摄像器件,面阵CCD,2.隔列转移型面阵CCD,场正程期间像敏区进行光积分，此时转移栅为低电平；光积分的同时将上一场的电荷在垂直驱动脉冲的驱动下一行行地将每一列的信号电荷向水平移位寄存器转移；场逆程期间转移栅上产生正脉冲，将像敏区的信号电荷转移到垂直寄存器中。,2.6 电荷耦合摄像器件,面阵CCD,2.隔列转移型面阵CCD,取消了存储区，多
15、了一个线寻址电路；寻址电路选中某一行相敏单元，驱动脉冲将该行的电荷包按箭头方向移动，并移入输出寄存器；输出寄存器在驱动脉冲的作用下使信号电荷包经输出放大器输出。,线寻址电路；驱动脉冲；输出寄存器。,2.6 电荷耦合摄像器件,面阵CCD,3.线转移型面阵CCD,电荷转移效率：一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比。,电荷转移损失率为,电荷转移效率与损失率的关系为,Q(0)为起始时注入某电极下的电荷量；Q(t)为在时间t时被留下来的电荷。,2.7 CCD的特性参数,2.7.1 电荷转移效率和电荷转移损失率,1.驱动频率的下限 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t，少数载流
16、子的平均寿命为；在信号的转移过程中，为了避免由于热激发少数载流子而对注入信号电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命；所以：工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动频率的下限越高。,2.7 CCD的特性参数,2.7.2 驱动频率,电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为g；电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t应大于g；所以：电荷自身的转移时间对驱动频率上限有限制。N沟道CCD比P沟道CCD的工作频率高；体沟道CCD的驱动频率要高于表面沟道CCD的驱动频率；驱动频率上限已经有了很大的提高，为CCD在高速成像系统中的应用打下了基础
17、。,2.7 CCD的特性参数,2.7.2 驱动频率,2.驱动频率的上限,存储于CCD的像敏单元中信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。所以，光电转换特性是线性的。,2.7 电荷耦合摄像器件,光电转换特性,CCD接收光的方式有正面光照和背面光照两种；正面有很多电极，其反射、散射和吸收作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射时低；所以，背面光照方式比正面光照的光谱响应要好得多。,2.7 电荷耦合摄像器件,光谱响应,(1)势阱可存储的最大信号电荷量,QCoxUGA,(2)噪声,光子噪声 电流噪声 胖零噪声俘获噪声 输出噪声,动
18、态范围定义为像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。,2.7 电荷耦合摄像器件,动态范围,水平分辨率要高于垂直分辨率。现在面阵CCD的像元数已为795596，l0241024，20482048，53205320等，分辨率越来越高。,2.7 电荷耦合摄像器件,分辨率,小节,2.1 概述2.2 电荷存储2.3 电荷耦合2.4 CCD的电极结构2.5 电荷的注入和检测2.6电荷耦合摄像器件2.7 CCD的特性参数工作原理；基本特性参数。,作业,为什么说N型沟道CCD的工作速度要高于P型沟道CCD的工作速度，而埋沟道CCD的工作速度要高于表面沟道CCD的工作速度？试说明电流输出方式中复位脉冲RS的作用，并分析当复位脉冲RS没有加上时CCD的输出信号将会怎样？试说明线阵CCD的驱动频率上限和下限的限制因素。对线阵CCD制冷为什么能降低线阵CCD的下限驱动频率？,
