第8固体成象器件

1、第八章第八章 固体成象器件固体成象器件 固体成象器件主要有两大类：电荷耦固体成象器件主要有两大类：电荷耦合器件合器件（charge coupled device，CCD）和自扫描光电二报管列阵和自扫描光电二报管列阵（self scanned photodiode Array，SSPD），），它们与真空它们与真空摄象器件相比，具有显著的优点。摄象器件相比，具有显著的优点。优点：优点： 1、全固体化，体积小，重量轻，工作电压与、全固体化，体积小，重量轻，工作电压与功能都很低；耐冲击性能好，可靠性高，寿命长。功能都很低；耐冲击性能好，可靠性高，寿命长。 2、基本上不保留残象，无象元烧伤扭曲现象，、基

2、本上不保留残象，无象元烧伤扭曲现象，不受电磁干扰。不受电磁干扰。 3、对红外也敏感，、对红外也敏感，SSPD敏感范围敏感范围0.251.1m mm，CCD可做成红外敏感型，可用于红外视可做成红外敏感型，可用于红外视系统。系统。 4、象元几何尺寸位置精度高（优于、象元几何尺寸位置精度高（优于1m mm），），可用于不接触精密尺寸测量系统。可用于不接触精密尺寸测量系统。 5、视频信号与微机接口容易。、视频信号与微机接口容易。第八章第八章 固体成象器件固体成象器件8-1 电荷耦合器件的电荷耦合器件的 工作原理工作原理8-2 电荷耦合摄像器件（电荷耦合摄像器件（CCID)8-3 其他固体成像器件其他固

3、体成像器件8-4 固体摄像器件的应用固体摄像器件的应用8-1 电荷耦合器件的工作原理电荷耦合器件的工作原理CCD的基本单元是的基本单元是MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）结构。半导体）结构。MOS结构实际上是一个结构实际上是一个MOS电容。电容。 CCD是在是在N型或型或P型半导体衬底上生型半导体衬底上生长一层长一层0.120.05m mm的二氧化硅（的二氧化硅（SiO2）层，然后按一些次序沉积几个金属或多层，然后按一些次序沉积几个金属或多晶硅电板，作为栅极。栅极间的间隔晶硅电板，作为栅极。栅极间的间隔0.152m mm，电极中心距，电极中心距515m mm，每，每个电板与其下面的二氧

4、化硅和个电板与其下面的二氧化硅和P型半导体型半导体之间形成了一个之间形成了一个MOS电容，可以存储电电容，可以存储电量。量。这种器件的突出特点是以这种器件的突出特点是以电荷电荷作为信号。作为信号。两种基本类型两种基本类型 表面沟道电荷耦合器件表面沟道电荷耦合器件（SCCD）电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传播。面传播。 体内沟道电荷耦合器件（体内沟道电荷耦合器件（BCCD）电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在电荷包存储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播。半导体内沿一定方向传播。1 1、CCDCCD的的MOS

5、MOS结构特性结构特性 CCD是由按一定规律排列的是由按一定规律排列的MIS（金属（金属 绝缘体绝缘体 半导体）电容列阵组成。对于半导体）电容列阵组成。对于Si-CCD，绝缘体是硅的，绝缘体是硅的氧化物，常用名称为氧化物，常用名称为MOS结构。结构。金属SiO2P-SiN沟金属SiO2N-SiP沟栅极：金属栅极：金属 Si透光多晶硅薄膜透光多晶硅薄膜电介质：绝缘体电介质：绝缘体 SiSiO2衬底：半导体衬底：半导体 PSi N沟道沟道 NSi P沟道沟道1、MOS电容的热平衡特性（以电容的热平衡特性（以P-Si为例）为例） 1）理想状态）理想状态金属SiO2P-SiEcEiEfEvW: :积累

6、层厚度积累层厚度2）金属电极上施加负电）金属电极上施加负电压压积累层积累层EcEiEfEv电子能带图电子能带图VG 0多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态eVs3）金属电极上施加较小的正电压）金属电极上施加较小的正电压耗尽层耗尽层EcEiEfEvW: :耗尽层厚度耗尽层厚度EcEiEfEvW: :反型层厚度反型层厚度反型层型层VG 0VG Vt4）当）当VG增大，超过阈值电压增大，超过阈值电压Vt时时多数载流子耗尽状态多数载流子耗尽状态多数载流子反型状态多数载流子反型状态eVseVs表面势表面势（Vs）：以体内的）：以体内的Ei为零势点，表面上为零势点，表面上Eis相对于体内相对于体内Ei的势

7、称为表面势。的势称为表面势。sisiVEEq能带向上弯曲，能带向上弯曲，EisEi，Vs0，表面势为负；表面势为负；能带向下弯曲，能带向下弯曲， Eis0，表面势为正。表面势为正。对于电子而言，对于电子而言，Vs大，对应电子深势阱大，对应电子深势阱Vs小，对应电子浅势阱小，对应电子浅势阱平带电压平带电压（VFBFB）：）： 实际情况中能带稍有弯曲，使能带变平实际情况中能带稍有弯曲，使能带变平所需电压称平带电压。所需电压称平带电压。阈值电压阈值电压（Vth）：）： 当外加电压继续增大到某一值，界面下当外加电压继续增大到某一值，界面下电子的浓度等于衬底的空穴浓度，这时称为电子的浓度等于衬底的空穴浓

8、度，这时称为强反型层，此时对应的外加电压值为阈值电强反型层，此时对应的外加电压值为阈值电压。压。 2、电荷存储过程、电荷存储过程（b）加负偏压EfmEiEfEcEv电荷存储量VG0空间电荷区Q-Q（a）未加偏压EfmEiEfEcEv电荷存储量（c）加正偏压EfmEiEfEcEv电荷存储量Q-QVG0图图2 MOS电容存储电荷原理图电容存储电荷原理图（1）稳态时）稳态时MOS结构的物理性质结构的物理性质 未加偏压时，未加偏压时，P型半导体中空穴中型半导体中空穴中分布是均匀的，能带不弯曲，分布是均匀的，能带不弯曲，SiO2两侧能两侧能级相等。（级相等。（E1 Ef）。）。 在栅极上加一定负偏压在栅

9、极上加一定负偏压VG（0但较小）时，表面势为正，电但较小）时，表面势为正，电子能量减小，表面处能带向下弯曲子能量减小，表面处能带向下弯曲.这时这时近表面处空穴被推开，一定宽度内留下近表面处空穴被推开，一定宽度内留下受主离子形成的空间电荷区，称多子耗受主离子形成的空间电荷区，称多子耗尽区。此区域对电子来说是一个势能很尽区。此区域对电子来说是一个势能很低的区域，故也称低的区域，故也称“势阱势阱”，此时能够，此时能够弯曲部分的宽度就是耗尽层的厚度，弯曲部分的宽度就是耗尽层的厚度， 在金属上加较大的正向电压在金属上加较大的正向电压VG，则能，则能带在表面处向下弯曲更厉害，此时界面上的费带在表面处向下弯

10、曲更厉害，此时界面上的费米能级高于中间区域的价带底能级米能级高于中间区域的价带底能级EC，这表示，这表示界面处的电子浓度将超过空穴浓度，形成了原界面处的电子浓度将超过空穴浓度，形成了原来来P型半导体相反的一层型半导体相反的一层N型区，这时从表面型区，这时从表面开始到开始到EC与与E1相交点的一个薄层内，变成了相交点的一个薄层内，变成了N型导电，称为反型区。在反型区与型导电，称为反型区。在反型区与P型区之间型区之间为耗尽区。当为耗尽区。当VG进一步增大，使界面下电子浓进一步增大，使界面下电子浓度等于衬底空穴浓度时称为强反型状态。度等于衬底空穴浓度时称为强反型状态。 反型层电荷的存在表明了反型层电

11、荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。3、MOS电容的非平衡特性（以电容的非平衡特性（以p型型Si为例）为例） 1）CCD存储电荷、转移电荷的基础存储电荷、转移电荷的基础金属SiO2P-SiVG电子势阱2）外加电压（）外加电压（VG）与表面势（）与表面势（VS）的关系）的关系SAsoxSFBGVqNCVVV021其中其中NA为受主浓度，为受主浓度， Cox为氧化层电容，为氧化层电容， 为硅介电常数，为硅介电常数， 为真空介电常数，为真空介电常数，q为电子电荷量为电子电荷量s0可以看出：势阱的深浅和三因素有关可以看出：势阱的深浅和三因素有关1）栅极电压）栅极电压VG VG

12、越大，越大，VS 越大，对应深势阱；越大，对应深势阱；VG 越小，越小，VS 越小，对应浅势阱越小，对应浅势阱2）掺杂浓度）掺杂浓度NA NA 越大，越大，VS 越小，对应浅势阱；越小，对应浅势阱； NA 越小，越小，VS 越大，对应深势阱越大，对应深势阱3 3）氧化层厚度）氧化层厚度d d d 越大，越大，VS 越小，对应浅势阱；越小，对应浅势阱； d 越小，越小，VS 越大，对应深势阱越大，对应深势阱若势阱中填入信号电荷若势阱中填入信号电荷Qs，则，则oxsSAsoxSFBGCQVqNCVVV021表明：在表明：在VG一定的情况下，势阱深度随填入信一定的情况下，势阱深度随填入信号电荷线形下

13、降号电荷线形下降二、二、CCD的工作原理的工作原理二、二、CCD的工作原理的工作原理2V 10V 2V 2V(a)(1) (2) (3)(1) (2) (3)2V 10V 10V 2V(b)(1) (2) (3)2V 2V 10V 2V(c)要求要求1）结构紧密，）结构紧密，MOS电容势阱相互沟通，相互耦合；电容势阱相互沟通，相互耦合；2）栅极电压高低调节势阱深度，实现信号电荷转移；）栅极电压高低调节势阱深度，实现信号电荷转移；3）栅极脉冲电压必须严格满足位相要求，保证信号转）栅极脉冲电压必须严格满足位相要求，保证信号转移按确定方向。移按确定方向。1、定向转移、定向转移 一个电极保持10V，第

14、二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，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这两个电极下势阱所共有。 若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。2、三相、三相N沟沟CCD工作原理工作原理t1 t2 t3 t4 t5 t6 1 t123（b）图4.5-3 三相CCD时钟电压与电荷传输关系（a）按时序电荷在势阱内传输 （b）三相驱

15、动波形（a）t=t1t=t2t=t3t=t4第二位第一位123a1b1c1a2b2c23、二相、二相N沟沟CCD工作原理工作原理图 8-5 注入势垒二相结构势阱图2P型Si注入区SiO21t2t112t2t14、四相、四相N沟沟CCD工作原理工作原理(a)(a)普通四相时钟波形普通四相时钟波形（b b）双时钟波形）双时钟波形t1 t2 t3 t441321324P-SiSiO24 1 2 3 4 1t1t2t3t4(c)(c)普通时钟驱动下的势阱长度普通时钟驱动下的势阱长度（d d）双时钟驱动下势阱分布）双时钟驱动下势阱分布SiO24 1 2 3 4 1t1t2t3t4P-Si图图8-6 8-

16、6 四相驱动四相驱动 主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。 1) 输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。 电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入 电注入：电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。通过输入二极管给输入栅极施加电压。的工作原理的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2光注入：光注入：用于摄像机。用光敏元件代替用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射输入二极管。当光照射CCD硅片时，在硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子栅极附近的半导体体内产生电子空穴空穴对，

17、其多数载流子被栅极电压排开，少对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。荷。2）电荷输出方式 电流输出 浮置扩散放大器输出 浮置栅放大器输出 在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。 为了实现电荷的定向转移，在为了实现电荷的定向转移，在CCD的的MOS阵列上划分成以几个相邻阵列上划分成以几个相邻MOS电电荷为一单元的循环结构。荷为一单元的循环结构。 以电子为信号电荷的以电子为信号电

18、荷的CCD称为称为N型型沟道沟道CCD，简称为，简称为N型型CCD。而以空穴。而以空穴为信号电荷的为信号电荷的CCD称为称为P型沟道型沟道CCD，简称为简称为P型型CCD。由于电子的迁移率远。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此大于空穴的迁移率，因此N型型CCD比比P型型CCD的工作频率高得多。的工作频率高得多。5、CCD的特点1）体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。2）空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。3）光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。4）高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有1520的残象)5）集成度高6）可用于非接触精密尺寸测量系统。7）无像元烧

19、伤、扭曲，不受电磁干扰。8）有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。6 6、CCDCCD的特性参数的特性参数 电荷转移效率（要求达到电荷转移效率（要求达到0.9999以上）以上） 不均匀性（光敏元大小的不均匀与灵不均匀性（光敏元大小的不均匀与灵敏度的不均匀性，一般应小于敏度的不均匀性，一般应小于5%） 暗电流暗电流 灵敏度灵敏度 光谱响应与干涉效应光谱响应与干涉效应 噪声 分辨率与调制函数 动态范围与线性度（一般10-1105lm/m2,特别的可以到10-310-5lm/m2，但要进行图象增强） 频率范围 31Lf 231tfH式中 热激发的少数载流子寿命，一般在零点

20、几秒到数百秒；2t转移时间，可到10纳秒。 CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型按电荷存储的位置分有两种基本类型1）电荷包存储在半导体与绝缘体之间的）电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输界面，并沿界面传输 表面沟道表面沟道CCD(简称简称SCCD)。2）电荷包存储在离半导体表面一定深度）电荷包存储在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传的体内，并在半导体体内沿一定方向传输输 体沟道或埋沟道器件体沟道或埋沟道器件(简称简称BCCD)。7、CCD的类型的类型 线阵：线阵：光敏元排列为一行的称为线光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从阵，象元数从128位至位至5000位

21、以至位以至7000位不等，位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。型号的器件可供选用。 面阵面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。含若干行和列的结合。 目前达到实用阶段的象元数由目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、英寸、l2英寸、英寸、23英寸以至英寸以至1英寸之分。英寸之分。线阵线阵CCD：一行，扫描；一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；面面阵阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图

22、像；直观；价格高，体积大；面阵面阵CCDCCD芯片芯片8 8、CCDCCD在检测方面的应用在检测方面的应用 1、几何量测量 2、自动步枪激光模拟射击系统。 3、光谱测量 4、光谱仪输出信号测量。 8.2 电荷耦合摄像器件（CCID） 1、一维线阵CCID 2、二维面阵CCID 3、增强型CCID一、线阵一、线阵CCID的工作原理的工作原理结构有两种：单边传输和双边传输结构有两种：单边传输和双边传输(a)(a)单边传输单边传输(b)(b)双边传输双边传输输出输出输出输出光敏元光敏元图图8-2-1 8-2-1 线列线列CCDCCD成像器件成像器件1、结构与功能、结构与功能以单边传输型为例，有光敏区

23、、转移栅、模拟移位寄存以单边传输型为例，有光敏区、转移栅、模拟移位寄存器、偏置电路和信号读出电路组成器、偏置电路和信号读出电路组成rT2T3T1S0DrD输出图图4.5-2 4.5-2 线列线列CCDCCD成象器件成象器件转移区N 光敏区 3 2 1N-1N-2CCDG12431G0Stp(1) 光敏区：光敏区：N个光敏元排成一排，光敏元为个光敏元排成一排，光敏元为MOS结构，其结构，其共同栅极共同栅极p为透明低阻的多晶硅薄条，为透明低阻的多晶硅薄条，MOS电容基底为电容基底为p-Si，硅表面相邻两光敏元之间都用沟阻隔开，保证信号，硅表面相邻两光敏元之间都用沟阻隔开，保证信号电荷不被拉平电荷不

24、被拉平光敏区光敏区沟阻沟阻栅极（多晶硅）栅极（多晶硅）（b）（a）P-Si图图4.5-3 MOS 4.5-3 MOS 型光敏元件结构型光敏元件结构（a）剖视图剖视图 （b）顶视图顶视图SiO2(3) 移位寄存器移位寄存器(CCD)： N位位CCD与与N位光敏元、位光敏元、转移栅一一对应，各光转移栅一一对应，各光敏元通向敏元通向CCD的各转的各转移沟道之间有沟阻隔，移沟道之间有沟阻隔，并且只能通向并且只能通向CCD的的某一相某一相(2) 转移栅：位于光敏区和移位寄存器之间，转移栅：位于光敏区和移位寄存器之间，以实现两者间的电荷转移以实现两者间的电荷转移(4) 偏置电荷回路：由输入二极管偏置电荷回

25、路：由输入二极管S（通常称为源）和输入（通常称为源）和输入栅栅Gi组成的偏置电荷回路，用来注入组成的偏置电荷回路，用来注入“胖胖”零信号，以减零信号，以减小界面态的影响，提高转移率小界面态的影响，提高转移率(5)输出栅输出栅G0：输出栅工作在直流偏置电压状态，起着交流：输出栅工作在直流偏置电压状态，起着交流旁路作用，用来屏蔽时钟脉冲对输出信号的干扰旁路作用，用来屏蔽时钟脉冲对输出信号的干扰(6) 输出电路：由放大管复位管输出二极管组成输出电路：由放大管复位管输出二极管组成2、工作原理：、工作原理：积分积分计数计数转移转移读出读出传输传输二、面阵二、面阵CCD的工作原理的工作原理分行转移和桢转移

26、两种结构分行转移和桢转移两种结构水平 CCD光敏元光敏元光敏元光敏元垂直 CCD垂直 CCD垂直 CCD垂直 CCD2H1H1V2VP行行转转移移结结构构A1A2B1B2C1C2输出存贮区光敏区桢桢转转移移结结构构三、三、CCD的特性参数的特性参数1、转移效率、转移效率定义：转移效率是指电荷包在进行每一次转移中的效率，用定义：转移效率是指电荷包在进行每一次转移中的效率，用表示，剩下的表示，剩下的部分没有被转移，称部分没有被转移，称为失效率。为失效率。根据电荷守恒原理根据电荷守恒原理1由定义可知一电荷量为由定义可知一电荷量为 Q0的电荷包，经过的电荷包，经过n次转移后的输出电次转移后的输出电荷量

27、为荷量为nnQQ0nnQQ0总效率为总效率为0.99900 0.999500.999900.99995 0.99999Qn/Q00.12890.35910.81480.90270.9797 二相二相10241024位器件总效率随位器件总效率随值的变化值的变化转移损失的起因：界面态俘获（或体态俘获）、电荷转移转移损失的起因：界面态俘获（或体态俘获）、电荷转移速度太慢、电极间隙的影响、表面复合等速度太慢、电极间隙的影响、表面复合等转移损失的危害：转移损失的危害： 信号的衰减信号的衰减 滞后电荷叠加到后面的信号电荷引，起传输失真滞后电荷叠加到后面的信号电荷引，起传输失真2、暗电流、暗电流 CCD成像

28、期间在既无光注入又无电注入情况下的输出信成像期间在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为暗电流号称为暗电流起因：半导体的热激发起因：半导体的热激发危害：限制器件的低频限危害：限制器件的低频限 引起固定图象噪声引起固定图象噪声3、光谱响应、光谱响应 CCD成像器件的光谱响应范围由光敏元的材料决定，光成像器件的光谱响应范围由光敏元的材料决定，光谱响应曲线的形状受多方面的影响，如光敏元的结构、谱响应曲线的形状受多方面的影响，如光敏元的结构、各层介质的折射率和消光系数、各层介质膜的厚度、入各层介质的折射率和消光系数、各层介质膜的厚度、入射光的入射角等。射光的入射角等。4、噪声、噪声 CCD的噪声源：

29、散粒噪声、转移噪声和热噪声的噪声源：散粒噪声、转移噪声和热噪声 散粒噪声：由于粒子的无规性，无论是光注入、电注入散粒噪声：由于粒子的无规性，无论是光注入、电注入还是热电子产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确还是热电子产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性。定性。 转移噪声：其根本原因是转移损失及界面态俘获转移噪声：其根本原因是转移损失及界面态俘获 热噪声：信号电荷注入及检出时引进的热噪声：信号电荷注入及检出时引进的 8.3 其它固态成像器件其它固态成像器件一、体内沟道电荷耦合器件一、体内沟道电荷耦合器件二、自扫描光电二极管阵列（二、自扫描光电二极管阵列（SSPA）一、体内沟道电荷耦合器件

30、一、体内沟道电荷耦合器件输入二极管输入二极管+20VSiO2n-Sip-Sin+n+输入二极管输入二极管+20V图图8.3.18.3.1、BCCDBCCD的结构示意图的结构示意图利用耗尽层工作，信息电荷为多子SCCDSCCD和和BCCDBCCD的比较的比较1、SCCD比比BCCD的信号处理能力大；的信号处理能力大；2、BCCD有较大边缘电场和较高载流子迁移率，渡越有较大边缘电场和较高载流子迁移率，渡越时间缩短，工作频率上限提高；时间缩短，工作频率上限提高；3、BCCD转移效率高；转移效率高；4、对于二相、对于二相BCCD，厚栅是存储栅，薄栅是转移栅，厚栅是存储栅，薄栅是转移栅，而而SCCD厚栅是转移栅，薄栅是存储栅；厚栅是转移栅，薄栅是存储栅；5、SCCD是信号电荷时少子，而是信号电荷时少子，而BCCD的信号电荷是多的信号电荷是多子。子。自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPA）以光电二极管代替以光电二极管代替CID中的中的MOS电电容结构光敏元，构成自扫描光电二容结构光敏元，构成自扫描光电二极管阵列（极管阵列（SSPA）K（闭合）（闭合）DCdRLVc工作过程工作过程1、准备：首先闭合、准备：首先闭合K，光电二极管充电，达到稳定后，光电二极管充电，达到稳定后，由于光电流