新型传感器c电荷耦合器件学习教案

1、会计学1新型新型(xnxng)传感器传感器c电荷耦合器件电荷耦合器件第一页，共54页。精彩图片欣赏（3）第1页/共54页第二页，共54页。精彩图片欣赏（4）第2页/共54页第三页，共54页。精彩图片欣赏（5）第3页/共54页第四页，共54页。精彩图片欣赏(xnshng)（6）第4页/共54页第五页，共54页。精彩图片欣赏(xnshng)（7）第5页/共54页第六页，共54页。精彩图片欣赏（8）是谁将美丽(mil)留驻？第6页/共54页第七页，共54页。第3章 电荷(dinh)耦合器件Charge Coupled DeviceCCD第7页/共54页第八页，共54页。 电荷耦合器件（Charge

2、Coupled DeviceCCD）是按照一定规律排列的 MOS电容器阵列组成(z chn)的移位寄存器，在MOS电容器阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。第一节 CCD的物理(wl)基础可以实现(shxin)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功能。金属SiO2p-SiVG1200-1500A第8页/共54页第九页，共54页。具有以下一些(yxi)特点：u一般(ybn)特性：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。u分辨率高：线阵7000Pixel、分辨能力(nngl)7m，面阵40964096，整机分辨能力(nngl)1000线以上。u兼容性：任选模拟、数字

3、输出形式，与同步信号、I/O接口及微机兼容，组成高性能系统。u分类：线阵和面阵器件。u光电特性：灵敏度高、动态范围大。灵敏度0.01Lx，动态范围106：1，信噪比6070dB。第9页/共54页第十页，共54页。一、稳态情况(qngkung)MOS结构的物理性质VG 01、VG0。金属电极上加负电压(diny)2、半导体表面(biomin)的表面(biomin)势VS 0，3、排斥电子、吸引空穴4、近表面处的空穴浓度增大。多数载流子堆积状态p-SiVGp-SiVG第10页/共54页第十一页，共54页。VG 0。nMOS状态(zhungti)的定性分析(一)u半导体表面内排斥空穴、吸引(xyn)

4、电子，形成负耗尽区。u耗尽区称为电子(dinz)“势阱”。势阱深度就是指耗尽层的厚度。耗尽状态第11页/共54页第十二页，共54页。在 n型p型之间仍是耗尽层。nMOS状态(zhungti)的定性分析(二)弱反型VG Vth，u强电场(din chng)将p中少子吸引到半导体表面。u电子(dinz)在p型硅表面形成n型薄层，即弱反型状态 。第12页/共54页第十三页，共54页。MOS达到稳定(wndng)状态。nMOS状态(zhungti)的定性分析(三)强反型uVG Vth u继续(jx)增大。u界面下电子浓度等于衬底受主浓度(多子浓度)，即强反型状态。第13页/共54页第十四页，共54页。

5、 耗尽层的宽度(kund)保持其最大值不变。nMOS状态(zhungti)的定性分析(四)强反型VG Vth ，继续(jx)增大u反型层内的电子数量增加，达到最大值。第14页/共54页第十五页，共54页。n反型层状态(zhungti)的定量分析)ln(2iASnNqkTV u表面(biomin)：MOS结构的衬底与氧化物之间的交界面；u出现“强反型”的条件(tiojin)是表面势VS为：式中：NA 为p-Si掺杂浓度；ni =(n0p0)1/2； n0 、 p0体内热平衡时的电子浓度和空穴浓度。p-SiVGVS表面势：表面的电动势vox第15页/共54页第十六页，共54页。理论上，VGVth就

6、使 MOS结构形成强反型状态，实际(shj)中 ，还应考虑到所谓“平带电压”的存在。)ln(41)ln(20iAAsoxiAnNkTNCnNqkT)ln(410iAAsoxOXnNkTNCVu从电路(dinl)看，表面势VS为-表面出现反型状态时对应(duyng)的外加栅压VG,以Vth表示.Vth = VS + Voxp-SiVGVSvox其中：VS = VG - Vox阈值电压：第16页/共54页第十七页，共54页。二、非稳态情况MOS结构(jigu)的物理性质u 动态过程：施加栅压的瞬间，半导体表面的空穴被排斥而形成耗尽区。反型层中电子来源主要(zhyo)是耗尽区内热激发的电子空穴对的电

7、子。 02iAnNTu从非平衡态的建立(jinl)开始到达热平衡状态（即稳态）需要一定的时间-存贮时间T。0：耗尽区少子寿命；ni：本征载流子浓度；NA：受主浓度第17页/共54页第十八页，共54页。u 达热平衡之前，MOS结构中是空的电子势阱。从表面一直到体内(t ni)较深处（称深耗尽）。u如果用信号电子QS注入势阱，势阱变浅；当表面势VS下降(xijing)至两倍费 米电势时，势阱“充满”，不再能吸纳信号电子。u非稳态时，VS大，势阱深。势阱所能容纳的最大电荷(dinh)量近似为：QS = CoxVGAd第18页/共54页第十九页，共54页。第二节 CCD的工作(gngzu)原理1、采用

8、单层单电极，势阱对称。时钟脉冲控制电荷传输方向(fngxing)，防止电荷倒流。一、CCD的电极(dinj)结构若干电极为一组构成一“位”。每位有有独立的驱动时序，称作“相”。电极结构分为二相、三相、四相三类。2、为使电荷传输，采用交叠电极结构. 三相电极结构：第19页/共54页第二十页，共54页。 2、这种二相电极结构减少时钟脉冲相数，电路相对(xingdu)简单。二相电极(dinj)结构：氧化层厚度大或掺杂浓度高的地方(dfng)势阱浅，氧化层厚度薄或掺杂浓度低的地方(dfng)势阱深。1、施加电压后，形成不对称的势阱，第20页/共54页第二十一页，共54页。二、CCD的电荷转移 1、三相

9、(sn xin)CCD的电荷转移第21页/共54页第二十二页，共54页。 2、二相CCD的电荷转移第22页/共54页第二十三页，共54页。 3、CCD的电荷(dinh)输出 （1） 电流输出(shch)方式：4、输出线性与输出二极管结电容大小(dxio)有关，输出信噪比取决于体外放大器。3、电荷转移到输出扩散结本质上是无噪声的。2、电荷包进入3下后 3从高变低 ，VOG升高（同时提升了二极管的反向偏压），形成反向电流，通过负载电阻流入体外放大器。1、构成：输出栅OG、输出反向二极管、片外放大器。-+VBLPFC第23页/共54页第二十四页，共54页。式中，gm为T1栅极(shn j)与源极之间

10、的跨导。（2）电压(diny)输出方式：在体外集成复位(f wi)管T1和放大管T2。1、在3下的势阱形成之前， 加 r，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过T2的沟道抽走。式中，CFD为浮置扩散节点上的总电容。所有的单元做在同一衬底上，抗噪声性能比电流输出好。LmLmoutoutRgRgVV1/voutT2voutT1rVcc浮置扩散放大器:原理:2、当信号电荷到来时，T1截止，信号电荷控制T2的栅极电位：Vout = Qs / CFD3、在输出端获得的放大了的信号电压为第24页/共54页第二十五页，共54页。 4、CCD的特性(txng)参数没有(mi yu)被转移Q（=Q1-Q0）与原有Q

11、0之比值，称作转移损失率。电荷转移效率(xio l)及电荷转移损失率1)、定义：当前电极下Q1与上一电极Q0的比值，称作转移效率。 第25页/共54页第二十六页，共54页。 4、CCD的特性(txng)参数2)、计算(j sun)式：如果总转移效率太低， CCD器件(qjin)就失去实用价值。因为，如果一定，那么器件(qjin)的位数就受到限制。如果转移 n个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为：Qn / Q0 = n = ( )n e -n结论：第26页/共54页第二十七页，共54页。2 、 计 算 ( j sun)式：N / f L （or） f L N / （相数 N =

12、 2、3、4）工作频率f太高，会降低总转移效率(xio l)，同样降低了信噪比。CCD器件(qjin)的工作频率应选择在fL 和fh 之间。1、定义：信号电荷从一个电极转移到另一个电极的频率 f，包括上限频率及下限频率。f 太低，热激发的少子过多填入势阱，降低输出信号的信噪比。Th / 3=1/(3 f h ) tm （or） fh (3 tm)-1 （相数 N = 2、3、4）工作频率的上限fh：工作频率下限f L ：结论：第27页/共54页第二十八页，共54页。 2、计算(j sun)式： Nmax= Cox VG Ad / q = V G 0 s Ad2 / dq一定栅极电压(diny)

13、作用下，势阱中能容纳的最大电荷量电荷(dinh)贮存容量可以近似地当作电容对电荷的存储来分析Qs = Cox VG Ad式中，VG 为时钟脉冲变化幅值；Cox为SiO2层的电容；Ad为栅电极面积。如果SiO2氧化层的厚度为d，则势阱中最大电荷贮存容量为：1、定义：举例第28页/共54页第二十九页，共54页。设电极下氧化(ynghu)层厚度 d1500nm， VG10V，s =3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。计算得Nmax =7106 ，可容纳1000 Lx 的光照射2ns所产生的载流子电荷(dinh)贮存容量3、举例(j l)：第29页/共54页第三十

14、页，共54页。 入射在CCD象元上的单位能流密度所产生的输出(shch)电压Vs的大小，用SV表示。LmLmFDSSVRgRgCQVS11灵敏度2、计算(j sun)式：1、定义(dngy)：第30页/共54页第三十一页，共54页。1、定义(dngy)：在一定的测试条件下， CCD能传感的景物光学信息的最小空间分布，用Tx表示。2、计算式：设CCD像元精密排列，象素中心间距t，则器件(qjin)的极限分辨率 Tx = 2t 。分辨率第31页/共54页第三十二页，共54页。1、定义： 指器件在相同光能量照射下，输出的电压(diny)Vs与光波长之间的关系。光谱响应(xingyng)随光波长的变化

15、而变化的关系称为光谱响应(xingyng)函数光谱(gungp)响应2、光谱响应率由器件光敏区材料决定。第32页/共54页第三十三页，共54页。第三节 CCD器件(qjin)一、典型(dinxng)的CCD结构单沟道(u do)线阵CCD结构移位寄存器CCD转移栅光栅光敏元输出第33页/共54页第三十四页，共54页。第34页/共54页第三十五页，共54页。双沟道线阵CCD结构(jigu)第35页/共54页第三十六页，共54页。帧转移(zhuny)CCD结构行间转移(zhuny)CCD结构摄像器件第36页/共54页第三十七页，共54页。二、典型(dinxng)的CCD器件及其驱动TCD142D型

16、CCD5、像元结构(jigu)： 2110个光敏像元阵列,62个哑元（前51个、后 11个) 双沟道性能参数：1、象素(象元)：2048位线阵2、相数：二相。3、像元尺寸： 14m，光敏阵列(zhn li)总长28672m 4、引脚： 1A 、2A 、1B 、2B均为时钟端、SH为移动栅、 RS 为复位栅, OS为移动栅、DOS为补偿输出端、OD为电源端、 SS为接地端、NC空闲。第37页/共54页第三十八页，共54页。T C D 1 4 2 D 驱 动 ( q dn)波形6、 RS复位一次输出一个光电信号。 DOS端是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动脉冲 对输出电路的容性干扰信号，若将OS

17、和 DOS分别送到差分放大器的两个(lin )输入端，则在输出端将得到被放大的没有驱动脉冲干扰的光电信号。1、SH为同步(tngb)脉冲，B时段，光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通，信号电荷转移至l 电极下。2、C时段，隔离光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通。3、随后，l 与2交替变化，信号电荷顺序转移，经由OS引脚输出。4、输出：12个虚设脉冲（结构上的原因） 51个暗电流脉冲 2048个信号脉冲 11个暗电流脉冲（共12+51+2048+11=2122个脉冲） 多余无信号脉冲。5、该器件是两列并行传输，在一个SH 周期中至少要有1061个1脉冲，即TSH1061T1。第38页/共54页第三十九

18、页，共54页。T C D 1 4 2 D 驱 动 ( q dn)电路三、CCD器件的选择(xunz)（自学）第39页/共54页第四十页，共54页。第四节 CCD的应用(yngyng)一、尺寸(ch cun)测量测量(cling)精度：外径0.1mm 壁厚0.05mm设计思想（）设计指标玻璃管平均外径：12mm 壁厚：1.2mm第40页/共54页第四十一页，共54页。根据(gnj)CCD测量灵敏度的需要，0.04mm要大于2个 CCD光敏像素的空间尺寸，选择TCD132D（光敏区长102414m=14.336mm）。则： d1 = n1t / d2 = n2t / D = Nt / 光学(gun

19、gxu)参数计算设：物镜(wjng)放大率：象元尺寸：t上壁厚：d1 ，脉冲数n1下壁厚： d2 ，脉冲数n2外径尺寸：，脉冲数：N选择远心光路的放大率为0.8倍，则：玻璃管的像大小为：9.6mm外径及壁厚测量精度要求反应在像面上为：0.08mm及0.04mm。第41页/共54页第四十二页，共54页。二、位移(wiy)测量设计(shj)思想（）设计(shj)指标：最大电动程：3mm最小微位移：0.004mm测量仪器设计确定：测量范围：03.5mm灵敏度：0.003mm测量误差：0.1非接触在线测量第42页/共54页第四十三页，共54页。式中：N为M1M2之间的象素数量(shling)。L = (LBa - LBa) + 0.5 (Wab - Wab)L = (NL - NL) + 0.5 (NW - NW) 分析(fnx)设：放大系数CCD面上(min shn)光强凹陷移动L，则：顶杆的电动程x = L / 又设CCD单元象素宽度为t, 则： L = Nt第43页/共54页第四十四页，共54页。计数(j sh)电路当SOU