CCD基本工作原理PPT学习教案

1、会计学1CCD基本工作原理基本工作原理p电荷的转移（转移信号电荷）p电荷的检测（将信号电荷转换成电信号）光电二极管FD放大器CCD第1页/共81页1 前照明光输入1 背照明光输入2 电荷生成3 电荷收集4 电荷转移5 电荷测量视频输出第2页/共81页特性参数第3页/共81页一、电荷存储一、电荷存储光电转换得到的信号电荷怎么存储？光电转换得到的信号电荷怎么存储？ ，信号电荷(电子)就可以在此集中储存。电势阱：储存信号电荷的电势分布状态 为了存储电荷必须制造一个存储区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集电荷不被复合。第4页/共81页 CCD的构成基础：MOS电容器(Metal-Oxid

2、e-Semiconductor) 金属 -氧化物- 半导体 第5页/共81页 半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为 P型硅衬底和 N型硅衬底，它对应不同的沟道形式，由于电子迁移率高，所以，大多数 CCD选用 P型硅衬底。第6页/共81页当在栅电极上加上 UG 0的小电压时， P型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在Si表面处只留下一层不能移动的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”，形成图中的充电区域(空间电荷区)称作耗尽区。（相当于 MOS电容器充负电） UG为零时， Si表面没有电场的作用，其多数载流子浓度与体内一样。 Si本身呈电中性。P型半导体多数载流子为空穴。第7页

3、/共81页 正电压 UG进一多增加，当 UG超过某一阈值Uth时，将使得半导体体内的电子（少数载流子）被吸引到半导体表面附近，形成一层极薄（厚度约10nm）但电荷浓度很高的反型层。这种情况称之为“反型状态”。（电势能最低点） 反型层电荷的存在表明MOS结构存储电荷的功能。第8页/共81页s不同氧化层厚度不存在反型层电荷时势阱：由表面势产生的阱状空间。有的定义为：存储电荷的电势分布状态。电极上的电压越大，势阱越深，可存储的电荷量越多，也就代表了CCD器件具有电荷存储功能。理论分析参见半导体物理第9页/共81页栅极电压不变时，表面势与反型层电荷密度的关系：第10页/共81页反型层电荷填充势阱时，表

4、面势收缩的情况：势阱存信号电荷类似水桶盛水水桶模型溢出现象第11页/共81页二氧化硅电极N型硅P型硅光生电子空穴对耗尽区 埋沟电容是在 一个 p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面上形成一个 n-型区(1m厚)； 然后，生长出一层薄的二氧化硅(0.1m厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。qEp电子的势能：q 是电子的电荷量，而为静电势 2-6第12页/共81页无偏置时， n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散， p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散； 这个结构与二极管结的结构完全相同。上述的扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。np

5、沿此线的电势示于上图.电势CCD厚度方向的截面图这种埋沟结构的优点是能使光生电荷离开CCD 表面，因为在CCD表面缺欠多，光生电荷会被俘获。这种结构还可以降低热噪声（暗电流）。电荷的收集 MOS 电容器电子势能最小的地方位于n-型区内并与硅 - 二氧化硅 (Si - SiO 2) 的交界面有一定距离 这个势能最小(或电位最高) 的地方就是多余电子聚集的地方。 第13页/共81页 CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位 。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。电荷的收集 MOS

6、 电容器电势电势势能势能第14页/共81页 CCD曝光时，产生光生电荷，光生电荷在势阱里收集。随着电荷的增加，电势将逐渐变低，势阱被逐渐填满，不再能收集电荷，达到饱和。 势阱能容纳的最多电荷称为满阱电荷数。np电势最大电势区电荷的收集 MOS 电容器第15页/共81页实际的埋沟结构埋沟结构的两边各有一个比较厚(0.5-1.5m)的场氧化物区。该区与高掺杂的 p-型硅一起形成形成沟阻，该区的静电势对栅极的电压和电压变化不敏感，始终保持形成势垒。电荷的收集 MOS 电容器栅极N型埋沟场氧化物沟阻P型衬底耗尽区信号电荷氧化物第16页/共81页埋沟结构的MOS电容的主要特点是：能在单一电极之下的一个局

7、部区域内产生势阱；能调整或控制栅极下面的势能；储存电荷的位置 (势能最小处)离 Si- Si02 交界面有一定的距离；低的暗电流使其能够长时间的储存信号电荷 (取决于工作条件可以从数十秒到数小时)；所收集的电荷可以通过光照、电注入等产生；能快速地将电荷从一个电极之下的一个位置转移到下一个邻近的电极下面，而且损失非常低。电荷的收集 MOS 电容器第17页/共81页像元边界电荷包p-型硅n-型硅SiO2 绝缘层电极结构像元边界入射的光子 光子入射到CCD中产生电子空穴对， 电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。电荷的收集电荷收集的效率与电势的分布、复合寿命和扩

8、散长度有关。第18页/共81页二、电荷耦合二、电荷耦合MOS电容器中存储的电荷如何移动？电容器中存储的电荷如何移动？显微镜下的显微镜下的MOS元表元表面面P型Si耗尽区电荷转移方向123输出栅输入栅输入二极管输出二极管 SiO2 CCD的MOS结构原理：利用电势阱移动信号电荷类比：水按顺序倾倒到相邻水桶问题：如何实现？时序驱动脉冲第19页/共81页 以三相CCD为例说明控制电荷定向转移的过程:电极仅靠势阱合并 每一个像素上有三个金属电极,依次在上面施加三个相位不同的控制脉冲第20页/共81页第21页/共81页三相CCD的电荷包转移过程第22页/共81页注意各个电极上电压的变化:第23页/共81

9、页第24页/共81页从上到下依次为1 2 31 0 0 1 0 0 1 0 0 t11 1 0 1 1 0 1 1 0 t20 1 0 0 1 0 0 1 0 t30 1 1 0 1 1 0 1 1 t40 0 1 0 0 1 0 0 1 t51 0 1 1 0 1 1 0 1 t61 0 0 1 0 0 1 0 0 t7TT第25页/共81页驱动电路：相应的时序电路如何设计？从上到下依次为1 2 3 4第26页/共81页第27页/共81页第28页/共81页1、三相电极结构(三相 CCD) 采用对称电极结构，三相 CCD是最简单的电极结构。因为在某一确定的时刻，对存贮有电荷的电极而言，两个相邻

10、电极，需要一个被“打”开，另一个保持“关”闭，以阻止电荷倒流。 通常这种电极结构有三种形式： 三相单层铝电极结构三相电阻海结构三相交叠硅栅结构第29页/共81页 在轻掺杂的硅衬底上先生成一层0.1m的 SiO2，而后在 SiO2上蒸发一层铝，采用光刻工艺形成间隙很窄的电极。 结构存在明显的缺点：电极间隙处 SiO2表面裸露在周围气氛中，有可能沾污 SiO2表面，造成表面势不稳定，影响转移效率。第30页/共81页 为得到封闭的电极结构，采用的方法之一就是引用硅栅结构。在氧化物层上沉积一层多晶硅，然后按要求对电极区域选择掺杂(硼或磷)，形成图中的低阻多晶电极，电极间互连和焊接区采用蒸铝来实现。结构

11、优点：封闭式，性能稳定，成品率高；缺点：由于光刻和多晶硅定域掺杂难以保证电极间高阻区很窄，使得每个单元尺寸较大，这样的结构仅用于小型列阵器件。第31页/共81页三相交叠硅栅结构是常用三相交叠电极结构形式。电极间窄间隙，又封闭的电极结构。三相交叠电极可以是多晶硅，也可以是铝金属，或者两种混用。第32页/共81页 三相交叠硅栅的形成工艺：先在硅表面生成一层高质量的氧化物（栅氧），跟着沉积一层多晶硅，掺杂后按规定图案光刻出第一组电极；而后再进行热氧化，形成一层氧化物，再沉积多晶硅、掺杂，第二次光刻出第二组电极；第三组电极形成方法与第二组电极相同。第33页/共81页2、 二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝交

12、叠栅结构 为使 CCD能在二相时钟脉冲驱动下工作，电极本身必须设计成不对称性，在这种不对称电极下产生体内势垒，即由电极本身保证电荷能定向运动。 常用方法：利用绝缘层厚度不同的台阶和离子注入产生的势垒优点：二相时钟方法的时钟驱动简单。缺点：厚氧化层下面是阻挡势垒，不能存贮电荷，加之势阱势垒差减小， 所以，能够存贮在势阱中的信号电荷量比三相时钟情况少。一相电极第34页/共81页 四相 CCD工作状态与三相器件、二相器件相比，较为适合于工作时钟频率很高的情况(如100MHz)，此时驱动波形接近正弦波。双重势垒相隔，转移效率提高第35页/共81页 前面讲的CCD，信号电荷是贴近氧化层界面的衬底内转移。

13、表面 CCD存在如电荷转移速度和转移效率低等问题。其主要原因是受表面态和迁移率的影响。 设法将信号的转移沟道移到半导体体内，即通过对转移沟道进行离子注入，使势能的极小值离界面有一定距离。第36页/共81页Qin=qNeoAtc为材料的量子效率；为材料的量子效率； q为电子电荷量；为电子电荷量； Neo为入射光的光子流速率；为入射光的光子流速率； A为为光敏单元的受光面积；光敏单元的受光面积； tc为为光的注入时间。光的注入时间。 四、电荷的注入四、电荷的注入CCD的的MOS电容器中信号电荷的来源？电容器中信号电荷的来源？、光注入：分为正面照射式和背面照射式第37页/共81页Qin =qANeo

14、tc第38页/共81页 1电压注入法结构模拟输入信号IG:输入栅极；当CR2为高电平时，可将ID极看成MOS晶体管的源极，IG为栅极，CR2为漏极。电流注入法结构注入信号电荷与Uin非线性关系第39页/共81页五、电荷的检测五、电荷的检测 (输出输出) MOS电容器中信号电荷最后咋输出？电容器中信号电荷最后咋输出？ 目前的CCD输出电荷信号主要是利用电流输出方式。 第40页/共81页电路组成：1 输出二极管反向偏置电路。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，对于电子来说，N+区下面相当于一个很深的势阱。2 源极输出放大器3复位场效应管TR过程描述：1. CCD信号

15、电荷向右转移到最后一级转移电极CR2 ；2. CR2电压由高变低，势阱抬高，信号电荷通过输出栅OG下的势阱进入反向偏置的二极管中。在输出二极管反向偏置电路上产生电流ID ；3. 电流ID造成A点电位发生变化，检测A点电位，可得到注入输出二极管中的电荷量 第41页/共81页 输出电流输出电流Id与注入到二极管中的电荷量与注入到二极管中的电荷量QS成正比例关系。成正比例关系。且且QS越大，越大，Id越大，从而越大，从而A点电位就越低。点电位就越低。 隔直电容只将隔直电容只将A点的电位变化取出，然后通过放大器输出。点的电位变化取出，然后通过放大器输出。复位场效应管TR其作用：迅速排空检测二极管的深势

16、阱中的剩余电荷，即对深势阱进行复位，从而避免前后两个电荷包重叠，为下一个信号电荷的检测做准备。过程：在复位脉冲RS作用下，TR导通，导通电阻远小于偏置电阻R，检测二极管中的剩余电荷从这流走，恢复A点高电位。第42页/共81页)0()(1)0()()0(QtQQtQQ 1、电荷转移效率电荷转移效率和电荷转移损失率和电荷转移损失率 CCD工作时电荷从一个电极经多次耦合转移到最后电极并工作时电荷从一个电极经多次耦合转移到最后电极并输出，如果每次转移都会损失一部分信号电荷，会怎样？输出，如果每次转移都会损失一部分信号电荷，会怎样？)0()(QtQ 电荷转移损失率：电荷转移损失率： 电荷转移效率电荷转移

17、效率与损失率的关与损失率的关系：系： 1六、六、CCD的特性参数的特性参数电荷耦合器件的电荷耦合器件的转移效率：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。表征CCD性能好坏的重要参数起始时刻电极下电荷量为Q(0)时刻t该电极下电荷量为Q(t)起始电荷量为Q(0)，n次转移后输出的电荷量为Q(0)n。若=0.99, 24次转移后剩下79%，1024次后仅剩下3.4%。第43页/共81页提高转移效率提高转移效率 是电荷耦合器件能否实用的关键。是电荷耦合器件能否实用的关键。一般一般常为常为0.999 995以上。以上。怎么提高转移效率呢？怎么提高转移效率呢？分析电荷损失原因分析电荷

18、损失原因：界面态对信号电荷的俘获：界面态对信号电荷的俘获解决方法：解决方法：采用采用“胖胖0”工作模式工作模式（在（在CCD中利用电注入的方式中利用电注入的方式在转移沟道中注入在转移沟道中注入胖胖0电荷电荷）。即让）。即让0信号也有一定的电荷。信号也有一定的电荷。“胖0” 缺点： “胖0”电荷分量越大，CCD输出暗电流也越大，并且不能通过降低器件温度来减小。损失率胖0电荷相同驱动频率,“胖0” 多,损失率低；相同 “胖0” , 频率低,损失率低;第44页/共81页g31 fi31 f三相CCD：fTt3132）驱动频率的上限限制来源：为保证信号电荷能够跟上驱动变化，否则转移效率大大下降。因此，

19、要求转移时间 t 要大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为g 。第45页/共81页 体沟道CCD的驱动频率要高一些，目前，最高驱动频率已经达到240MHz。这对CCD在高速成像系统中的应用很重要。10-110-210-3*10-4第46页/共81页第47页/共81页(1) 单沟道单沟道线阵线阵 ICCD转移次数较多,效率低，适用于像元数较少的摄像器件。 光敏单元(像素)转移栅极CCD的1个单元沟阻组成: 光敏阵列+ 转移栅+CCD模拟移位寄存器+输出放大器。光敏阵列：由光栅控制的MOS光积分电容或PN结光电二极管;光敏阵列与CCD之间通过转移栅相连，既可以隔离二者，又可以沟通二者。第4

20、8页/共81页单沟道线阵单沟道线阵 ICCD工作过程描述：工作过程描述：光敏单元(像素)转移栅极CCD的1个单元光注入转移移位输出光积分时间 光敏阵列与CCD之间通过转移栅隔离时（转移控制栅接低电平）,光敏阵列进行光注入(积分),光敏单元不断积累电荷； 转移栅变为高电平时，光敏区所累积的信号电荷将通过转移栅转移到CCD模拟移位寄存器中。 在光积分时间期间（控制栅接低电平时），CCD模拟移位寄存器在三相交叠脉冲作用下，将信号电荷一位位移出器件，并经过输出放大器形成时序信号。第49页/共81页单沟道线阵 ICCD工作过程描述： 当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷

21、,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构输出第50页/共81页第51页/共81页(2) 双沟道线阵双沟道线阵 ICCD在光敏阵列两侧各有一列CCD模拟移位寄存

22、器和一个转移栅缺点：由于奇偶信号电荷分别通过两个模拟移位寄存器和两个 输出放大器输出，导致输出的奇偶信号不均匀。优点:同样的像敏单元，双沟道比单沟道线阵CCD的转移时间缩短一半，因此转移效率提高。第52页/共81页 分类分类(按照排列方式按照排列方式)：帧帧转移方式转移方式隔列隔列转移方式转移方式线线转移方式转移方式 按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵CCD。第53页/共81页(1) 帧转移面阵帧转移面阵CCD 像敏区由并行排列的像敏区由并行排列的若干个电荷耦合沟道组若干个电荷耦合沟道组成成, 沟道之间用沟阻隔开沟道之间用沟阻隔开,水平电极横贯

23、各沟道；水平电极横贯各沟道； 暂存区的结构及单元暂存区的结构及单元数和像敏区完全相同；数和像敏区完全相同； 暂存区和行读出寄存暂存区和行读出寄存器均用金属铝遮蔽。器均用金属铝遮蔽。光敏单元(像素)(3排电极)帧转移三相面阵帧转移三相面阵CCD 组成：组成：1.像敏区像敏区2.信号电荷暂存区信号电荷暂存区3.水平读出寄存器水平读出寄存器第54页/共81页光敏单元(像素)(3排电极)帧转移面阵帧转移面阵CCD 工作过程（配合电视制式）：工作过程（配合电视制式）： 场正程：场正程：像敏区光积像敏区光积分并存储信号电荷；分并存储信号电荷；场逆程：场逆程：像敏区信号像敏区信号电荷并行转移到暂存区；电荷并

24、行转移到暂存区；下一个场正程：下一个场正程：行逆程：行逆程：最下面一行最下面一行信号电荷转移到行读出寄信号电荷转移到行读出寄存器中存器中,暂存区下移一行；暂存区下移一行；行正程：行正程：水平读出寄水平读出寄存器输出一行视频信号；存器输出一行视频信号； 信号电荷的转移依赖信号电荷的转移依赖相应的驱动时钟。相应的驱动时钟。第55页/共81页第56页/共81页光敏单元(像素)(3排电极)帧转移面阵帧转移面阵CCD的优缺点的优缺点: 优点：优点：结构简单，光敏单结构简单，光敏单元的尺寸可以很小，传元的尺寸可以很小，传递函数递函数MTF较高；较高；缺点：缺点：光敏面积所占总面光敏面积所占总面积的比例小。

25、积的比例小。第57页/共81页第58页/共81页以两相驱动的面阵CCD为例：工作时序类似帧转移型像敏单元转移控制栅读出寄存器沟阻第59页/共81页第60页/共81页线寻址电路 垂直输出寄存器 驱动脉冲 优点：有效光敏面积大，转移速度快，效率高。不足：电路比较复杂； 特点：取消了存储区，多了线寻址电路。根据不同寻求，线寻址电路发出不同的地址选取信号后，相应行一位位输出。从而非常方便选择扫描方式，实现逐行或隔行扫描；还可以工作在线阵CCD的状态第61页/共81页第62页/共81页第63页/共81页第64页/共81页小盆虹吸泵雨水量筒第65页/共81页每个小盆接到的雨水数量不同类比中，雨滴表示光子；

26、收集的雨水表示CCD探测的电荷;小盆表示像元，小盆的深度表示每个像元可以容纳多少电荷；虹吸泵表示CCD的移位寄存器；雨水量筒表示CCD的输出放大器。第66页/共81页先将雨水向左移动为了测量每个小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵将每个小盆中的雨水向雨水量筒转移。第67页/共81页倒空量筒图示的状态是一次测量后的状态。第68页/共81页又一次测量结束。倒空量筒第69页/共81页倒空量筒一行电荷测量结束。第70页/共81页第71页/共81页 ecinhqAtQ2、光谱响应、光谱响应 （二）ICCD的基本特性参数线性关系第72页/共81页 1、势阱可存储的最大信号电荷量、势阱可存储的最大信号电荷量 取决于取决于CCD的电极面积、器件结构、时钟驱动方式、驱的电极面积、器件结构、时钟驱动方式、驱动脉冲电压幅度等。动脉冲电压幅度等。 2、