第8章电荷耦合器件

1、第八章第八章 电荷耦合成像器件电荷耦合成像器件 固体成象器件就不需要在真空玻璃壳内固体成象器件就不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图象的转换及电子束按顺序用靶来完成光学图象的转换及电子束按顺序进行扫描就能获得视频信号，即器件本身就进行扫描就能获得视频信号，即器件本身就能完成光学图象转换、信息存贮和按顺序输能完成光学图象转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程。出（称自扫描）视频信号的全过程。 1970 1970年由贝尔实验室的贝埃尔（年由贝尔实验室的贝埃尔（BoyleBoyle）和史密）和史密斯（斯（SmithSmith）提出来的一种）提出来的一种MOSMOS结构的新型器件电结构

2、的新型器件电荷耦合器件（荷耦合器件（CCDCCD：charge couple Devicecharge couple Device）。）。 CCDCCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为称为表面沟道电荷耦合器件表面沟道电荷耦合器件( (简称简称SCCD)SCCD)；另一种是；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋体内沟道或埋沟道电

3、荷耦合器件沟道电荷耦合器件( (简称简称BCCD)BCCD)。 一、结构一、结构电荷耦合器件简称电荷耦合器件简称CCDCCD，从结构上讲，它是由许，从结构上讲，它是由许多小多小MOSMOS电容组成。电容组成。MOSMOS电容即金属（电容即金属（MetalMetal）- -氧化物氧化物(Oxidation)-(Oxidation)-半导体半导体(Seminconductor)(Seminconductor)构成的电容器，常构成的电容器，常称为称为MOSMOS电容，或电容，或MOSMOS结构。结构。（a a）MOSMOS电容器；（电容器；（b b）一般电容器）一般电容器 二、电荷存储二、电荷存储

4、在栅极在栅极G G施加正偏压施加正偏压U UG G之前之前p p型半导体中空型半导体中空穴穴( (多数载流子多数载流子) )的分布是均匀的。当栅极施的分布是均匀的。当栅极施加上偏压加上偏压U UG G( (此时此时U UG G小于小于p p型半导体的阈值电压型半导体的阈值电压U Uthth) )后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。延伸。 当当U UG GUUthth ，半导体与绝缘体界面上的电势，半导体与绝缘体界面上的电势( (常称为表面势常称为表面势) )变得如此之高以致于将半变得如此之

5、高以致于将半导体体内的电子导体体内的电子( (少数载流子少数载流子) )吸引到表面，吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。 反型层电荷的存在证明反型层电荷的存在证明MOSMOS结构有存储电结构有存储电荷的功能。荷的功能。 然而，当栅极电压由零突变到高于阈值然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立起反型层。在在不存在反型层不能立即建立起反型层。在在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分

6、电压降落在且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上耗尽区上三、电荷耦合原理三、电荷耦合原理 CCDCCD工作在深耗尽区，可以用电注入或光工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入的方法向势阱注入电荷，以获得自由电子注入的方法向势阱注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常或自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出去，这一过程叫做规则地传送出去，这一过程叫做CCDCCD的电荷转的电荷转移，它是靠各个移，它是靠各个MOSMOS的栅极在时钟电压作用下，的栅极在时钟电压作用下，以电荷耦合方式

7、实现的。以电荷耦合方式实现的。外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。 假定开始时有一些电荷存储在偏压为假定开始时有一些电荷存储在偏压为10v10v的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压。加有大于阈值的较低电压。 (a)(a)为零时刻为零时刻( (初始时刻初始时刻) )，经过，经过t1t1时刻后，时刻后，各电极上的电压变为（各电极上的电压变为（b b），第一个电极仍保），第一个电极仍保持为持为10v10v，第二个电极上的电压由，第二个电极上的电压由2v2v变到变到10v1

8、0v因因这两个电极靠得很紧，它们各自的对应势阱将这两个电极靠得很紧，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。这两个电极下势阱所共有。 若此后电极上的电压变为如图若此后电极上的电压变为如图(d)(d)所示。所示。第一个电极电压由第一个电极电压由10v10v变为变为2v2v，第二个电极，第二个电极电压仍为电压仍为10V10V，则共有的电荷转移到第二个，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中。电极下面的势阱中。 由此可见，深势阱及电荷包向右移动了由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。一个位置。 通过将一定规则

9、变化的电压加到通过将一定规则变化的电压加到CCDCCD各电各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。常把定方向移动。常把CCDCCD电极分为几组，每一组电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。称为一相，并施加同样的时钟脉冲。 CCDCCD的内部结构决定了使其正常工作所需的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图中的要的相数。图中的CCDCCD称为三相称为三相CCD,CCD,三相三相CCDCCD的的电荷耦合电荷耦合( (传输传输) )方式必须在三相交叠脉冲的作方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移用下，才能

10、以一定的方向逐单元地转移. . CCD CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下，如阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下，如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，电极向另一个电极完全转移，CCDCCD使不能在使不能在外部脉冲作用下正常工作。外部脉冲作用下正常工作。四、四、CCDCCD的电极结构的电极结构 CCDCCD电极的基本结构应包括转移电极结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

11、入结构和信构、转移沟道结构、信号输入结构和信号检测结构，我们讨论转移电极结构，号检测结构，我们讨论转移电极结构，最早的最早的CCDCCD转移电极是用金属转移电极是用金属( (一般用铝一般用铝) )制成的。制成的。 CCD CCD的电荷转移信道有两种形式，即的电荷转移信道有两种形式，即表面转移信道和体内（或埋沟）转移信表面转移信道和体内（或埋沟）转移信道。采用表面信道的道。采用表面信道的CCDCCD，称为表面，称为表面CCDCCD，简称简称SCCDSCCD，采用埋沟信道的，采用埋沟信道的CCDCCD，称为埋，称为埋沟沟CCDCCD，简称，简称BCCDBCCD。3BCCDBCCD和和SCCDSCC

12、D之间的区别之间的区别BCCDBCCD中传递信息的电子是中传递信息的电子是N N层中的多子，而后者是层中的多子，而后者是P P层中的少子。层中的少子。SCCDSCCD中的信息电荷集中在界面处很薄的反型层中，中的信息电荷集中在界面处很薄的反型层中，而而BCCDBCCD的信息电荷集中在体内的信息电荷集中在体内Z Z平面附近，平面附近，BCCDBCCD处处理电荷的能力比理电荷的能力比SCCDSCCD约小一个数量级。约小一个数量级。BCCDBCCD转移损失比转移损失比SCCDSCCD小小1212个数量级，具有高的转个数量级，具有高的转移效率。移效率。BCCDBCCD转移速度高（三相转移速度高（三相BC

13、CDBCCD器件可工作于器件可工作于300MHz300MHz时钟频率下，与时钟频率下，与SCCDSCCD相比较，上限提高了一个数相比较，上限提高了一个数量级）。量级）。BCCDBCCD最大优点是低噪声，这主要是由于消除了信最大优点是低噪声，这主要是由于消除了信号电子与表面态间的相互作用。低噪声加上高的号电子与表面态间的相互作用。低噪声加上高的转换效率使得转换效率使得BCCDBCCD成为成为 低照度下的理想摄像器件。低照度下的理想摄像器件。n 从上面分析可知，从上面分析可知，CCDCCD中电荷的存储和传输中电荷的存储和传输是通过各电极上加不同的电压实现的。电极是通过各电极上加不同的电压实现的。电

14、极的结构如按所加脉冲电压相数来分，则可分的结构如按所加脉冲电压相数来分，则可分为二相、三相、四相电极结构形式。为二相、三相、四相电极结构形式。五、电荷注入五、电荷注入在在CCDCCD中，电荷注入的方法可分为光注入和电注中，电荷注入的方法可分为光注入和电注入两类。入两类。1 1光注入光注入 当光照射到当光照射到CCDCCD硅片时，在栅极附近的半导硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子体体内产生电子空穴对，其多数载梳子被栅空穴对，其多数载梳子被栅极电压排开少数载流了则被收集在势阱中形成极电压排开少数载流了则被收集在势阱中形成信号电荷信号电荷; ;光注入方式又可分为正面照射式与光注入方式又可分为正面

15、照射式与背回照射式背回照射式 2 2、电注入、电注入 所谓电注入就是所谓电注入就是CCDCCD通过输入结构对信号通过输入结构对信号电历或电流进行采样，然后将信号电压或电电历或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多、这流转换为信号电荷。电注入的方法很多、这里仅介绍两种常用的电流注入法和电压注入里仅介绍两种常用的电流注入法和电压注入法。法。电荷耦合成像器件电荷耦合成像器件 n 电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄象器件，电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄象器件，电荷耦合摄象器件可分为一维电荷耦合摄象器件可分为一维( (线阵线阵) )的和二维的和二维( (面面阵阵) )两种

16、，它们的功能都能把二维光学图象信号转两种，它们的功能都能把二维光学图象信号转变成一维视频信号输出。它们的原理是：变成一维视频信号输出。它们的原理是：n 首先用光学成像系统首先用光学成像系统( (光学镜头光学镜头) )将被摄的景物将被摄的景物图象成象在图象成象在CCDCCD的光敏面的光敏面( (光敏区光敏区) )上，在每一个光上，在每一个光敏单元敏单元(MOS(MOS电容器电容器) )的势阱中存贮与图象照度成正的势阱中存贮与图象照度成正比的光生信号电荷完成了光电转换和电荷的积累。比的光生信号电荷完成了光电转换和电荷的积累。然后，转移到然后，转移到CCDCCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的的移位寄存

17、器中，在驱动脉冲的作用下有顺序地转移和输出，成为视频信号。作用下有顺序地转移和输出，成为视频信号。 一、一维一、一维( (线阵线阵)CCID)CCID 图为一维图为一维CCIDCCID结构原理图。是单排结构，结构原理图。是单排结构，它包括光敏区和移位寄存区它包括光敏区和移位寄存区( (转移区转移区) )两部两部分。移位寄存区被遮挡，每一光敏单元与分。移位寄存区被遮挡，每一光敏单元与移位寄存区之间用转移栅隔开，转移栅的移位寄存区之间用转移栅隔开，转移栅的作用是控制光敏单元所积累的光生信号电作用是控制光敏单元所积累的光生信号电荷向移位寄存器转移。转移时间小于光照荷向移位寄存器转移。转移时间小于光照

18、光敏区光敏区( (光积分光积分) )的时间。的时间。 简单的工作过程：转移栅关闭时。光敏简单的工作过程：转移栅关闭时。光敏区在光照时间内所积累信号电荷的多少与区在光照时间内所积累信号电荷的多少与一行图象中每个光敏单元所对应的图象的一行图象中每个光敏单元所对应的图象的光强成正比，当积分周期结束，转移栅打光强成正比，当积分周期结束，转移栅打开，每一光敏单元势阱内的信号电荷并行开，每一光敏单元势阱内的信号电荷并行地转移到移位寄存器相应的单元内；接着地转移到移位寄存器相应的单元内；接着转移栅关闭，光敏区开始对下一行图象信转移栅关闭，光敏区开始对下一行图象信号进行积分。与此同时，移位寄存器将已号进行积分

19、。与此同时，移位寄存器将已转移到移位寄存器内的上行信号电荷，根转移到移位寄存器内的上行信号电荷，根据电荷传输过程输出视频脉冲信号。据电荷传输过程输出视频脉冲信号。 这种结构的这种结构的ccmccm转移次数多、效率低，转移次数多、效率低，只适用于光敏单元较少的摄负器件。只适用于光敏单元较少的摄负器件。二、面阵电荷耦合成像器件二、面阵电荷耦合成像器件(ACCID)(ACCID)根据转移和读出的结构方式不同，有不同根据转移和读出的结构方式不同，有不同类型的面型摄像器件。不过，常用类型类型的面型摄像器件。不过，常用类型有两种：帧转移有两种：帧转移FTFT和行间转移和行间转移ILTILT。1 1帧帧/

20、/场转移结构场转移结构(FT)(FT)结构包括三部分：光敏区、暂存区和读出结构包括三部分：光敏区、暂存区和读出寄存器。寄存器。（1 1）光积分：）光积分：当外界景物成像投影到成像区时，在一相当外界景物成像投影到成像区时，在一相( (或二相或二相) )电极上脉冲电压呈高电平情况电极上脉冲电压呈高电平情况下，另一相下，另一相( (或另两相或另两相) )处于低电平，在处于低电平，在一场时间内，光生信号电荷就被收集在一场时间内，光生信号电荷就被收集在这些电极下的势阱中。在整个光敏区便这些电极下的势阱中。在整个光敏区便形成了与光像对应的电荷图形。形成了与光像对应的电荷图形。（2）帧转移：光敏区经过一场的积分时间后，光敏区和暂存区均处于帧转移脉冲作用下，在相当于垂直消隐期间内，光敏区的信号电荷平移到暂存区。在帧转移脉冲过后，光敏区驱动脉冲又处于(或转移)第二场光积分(呈高电平)，又处于光积分期间。（3）行