第4章 CCD工作原理

第四章CCD工作原理内容CCD概述CCD工作过程电荷的生成电荷的收集电荷包的转移电荷包的测量小结参考书1《电荷耦合器件原理与应用》王以铭科学出版社1987年2《CCDArraysCamerasandDisplays》GeraldC.HolstSPIE1998电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevices）CCD概述CCD（ChargeCoupledDevices，电荷耦合器件）图像传感器主要有两种基本类型，表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。

电荷耦合器件CCD

线阵CCD

面阵CCDCMOS-CCD图像传感器的应用

图8-82CMOS器件的应用情况保安监视PC摄像头机顶盒玩具医疗仪器数码相机手机可视电话生物特征识别PDA条码识别汽车x1x2x3y1y2y3紫色红色蓝色R:G:B=139:0:225R:G:B=225:0:0R:G:B=0:0:225y1y2y4紫色y3y4CCD工作原理简示图CCD（线阵列）的结构示意图和工作流程图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电荷测量视频输出此图摘自JamesJanesick“DuelingDetectors”特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的检测硅和锗都是金刚石晶格结构半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格:每个原子被四个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键。每个电子对组成一个共价键，组成共价键的电子称为价电子。价电子通常位于价带，不能导电。＋4＋4＋4＋4＋4能量增加价带导带1.12eV硅的能级图共价键示意图电荷的生成—能带理论复习 通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV,砷化镓的Eg＝1.42eV)。photonphoton空穴电子电荷的生成能带理论复习 如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。用公式表示如下:其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。2-12-2电荷的生成电荷的生成 光电效应中有一个临界波长（），定义为：当时，光子没有足够的能量将电子由价带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对于本征(intrinsic)硅有：这是CCD的长波限制2-3光电导效应电荷的产生原理动画CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。

CCD线阵列CCD单元这种结构再加上输入、输出结构就构成了N位CCD。电荷的存储（以MOS电容为例）CCD是由金属－氧化物－半导体构成的密排器件，简称MOS结构，它实际就是一个MOS电容。EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFm栅极电压Vg=0,p型半导体中均匀的空穴（多数载流子）分布，半导体中能量线延伸到表面并与表面垂直。

栅极电压Vg<0,电场排斥电子吸引空穴，使表面电子能量增大，表面处能带向上弯曲，越接近表面空穴浓度越大，形成空穴积累层。EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG<0Vg<0SiO2栅电极积累层P-SiVg=0SiO2栅电极P-Si

栅极电压Vg>0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，形成空穴耗尽层。EvVG》0EFp金属氧化物P型半导体ECEFmW

栅极电压Vg》0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，电子浓度甚至超过空穴浓度，形成反型层。EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG>0WEvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG>0WVg》0SiO2栅电极反型层P-SiVg>0SiO2栅电极耗尽层P-Si半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大，通常称其为势阱。注入电子形成电荷包表面势与势阱（电荷存储）VG051015伏VG=2V空势阱P-SiVG=12伏全满势阱P-SiVG=6伏填满1/3势阱P-Si当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。电荷的存储对空穴来说是“势垒”+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-VG电荷的存储电荷的转移 CCD工作过程的第三步是电荷包的转移，是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。反型层的出现在SiO2衬底之间建立了导电机构，Vg》0SiO2栅电极反型层P-SiP型衬底n沟道Vg《0SiO2栅电极反型层n-Sin型衬底p沟道n型衬底，栅极加负电压，反型层是正电荷，称为p沟道。p型衬底，栅极加正电压，反型层是负电荷，称为n沟道，电荷的转移Vg=0SiO2栅电极P-SiVg>0SiO2栅电极耗尽层P-SiVg>>0SiO2栅电极反型层P-Si电荷的转移nnP-Si衬底源漏输出栅转移栅电极SiO2n-沟道Vg>>0nnP-Si衬底源漏输出栅转移栅电极SiO2n-沟道电荷的转移CCD真正工作时，Vg>0,恰好能产生势阱以测量盆中的雨水类比CCD的工作过程下面通过类比说明CCD收集、转移和测量电荷的过程。小盆虹吸泵雨水量筒CCD的工作过程类比说明右边九个小盆代表九个像元（像素），（接水）;左边三个小盆代表读出寄存器（不接水）；雨水量筒表示CCD的输出放大器。小盆的深度表示每个像元可以容纳多少电荷；雨滴表示光子；收集的雨水表示CCD探测的电荷;虹吸泵表示CCD的移位寄存器；类比：每个小盆接到的雨水数量不同类比中，雨滴表示光子；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。CCD的工作过程类比说明先将雨水向左移动 首先，最左边一行接雨水的小盆将所接的雨水通过虹吸泵转移到与雨水量筒排成一排的一行小盆（读出寄存器)中。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。CCD的工作过程类比说明倒空量筒 然后将最靠近量筒小盆中的雨水通过虹吸泵导入量筒中测量它的数量。 每次测量完成以后，都要将量筒倒空，准备下一次测量。图示的状态是一次测量后的状态。CCD的工作过程类比说明又一次测量结束。倒空量筒CCD的工作过程类比说明倒空量筒一行电荷测量结束。CCD的工作过程类比说明重复上述转移－测量的过程，直到所有小盆中雨水的数量都测量完毕。准备好进行下一次开始接雨水（曝光）。CCD的工作过程类比说明

在由一个小盆(像元)将水(电荷包)转移到下一个小盆(像元)的过程中，总是有一些损失。描述这个损失的参数称为电荷转移效率(CTE)，定义为一次转移中正确转移电荷的百分比。电荷的转移转移效率在上述类比中，最远的一个小盆的水转移了6次，如果＝0.99，那末这盆水输出时，剩下原来水量的94％。如果转移100次，就剩下原来水量的37％了。2-7

电荷包的转移是通过变换CCD电极电压来完成的。下列图中，标注红色的电极为高电势，标注黑色的电极为低电势。123电荷的转移三相CCD123时间滑尺+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123123当第一个电荷包由右边移出时，下一个电荷包由左边移入。电荷的转移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD电荷转移和三相时钟2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-Si2伏Φ

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③③

②VGΦ1Φ2Φ3t2t4t1t3t5Φ1Φ2Φ3t1t3t510伏2伏2伏2伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-SiΦ

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③③

②电荷的测量 CCD工作过程的第四步是电荷的测量，是将转移到输出级的电荷转换为电压信号的过程。ODOSRDRSW输出节点衬底输出FET复位FET相加阱20mm输出漏极(OD)输出源极(OS)输出管栅极输出节点R（复位栅极）复位漏极(RD)相加阱(SW)（相当于量筒）串行寄存器最后的几个电极（读出寄存器）串行寄存器电极典型CCD片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.电荷的测量+5V0V-5V+10V0VRSWVout当电荷包移至串行寄存器的末端时，利用输出节点电容和输出管(放大器)对电荷包进行测量。ODOSRDRSW复位FET相加阱串行寄存器的末端Vout电荷的测量测量过程由复位开始。复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。输出节点输出FETODOSRDRSW+5V0V-5V+10V0VRSWVoutVout电荷输送到相加阱。Vout

现在是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电平。输出节点相加阱串行寄存器的末端电荷的测量输出FET复位FETODOSRDRSWVout+5V0V-5V+10V0VRSWVout把电荷输送到输出节点电容，Vout

下降到信号电平。串行寄存器的末端输出节点相加阱电荷的测量输出FET复位FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout外部电路对Vout进行采样，所采样的Vout电平与输入电荷包中电荷的多少成正比。ODOSRDRSWVout串行寄存器的末端输出节点相加阱电荷的测量输出FET复位FETCCD作业1、CCD摄像传感器工作过程2、CCD摄像传感器的工作原理38、CCD摄像传感器工作过程：1光电信号转换；2存储电信号；3转移电信号；4读出信号电荷。39、CCD摄像传感器的工作原理：（1）电荷存储原理：构成