电荷耦合器件

§6.3

、电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)固体成像器件电荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice,CCD)互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS）2/2/20231CCD立体相机前中后三层影像合成三维图片激光高度计(高度5m、分辨率1m)干涉成像光谱仪γ射线相机X射线相机微波探测仪(土壤厚度、氦-3)高能粒子探测器低能离子探测器元素探测探测地月间的环境2/2/20232电荷耦合器件CCD线阵CCD面阵CCD表面沟道CCD(SCCD),电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移。体沟道CCD(BCCD),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转移CCD类型2/2/202336.3.1电荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感2/2/20234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2/2/202351.1.1电荷存贮

CCD是由规则排列的金属—氧化物—半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成。MetalOxideSemiconductor2/2/20236金属VG氧化物（SiO2）半导体(P—Si)电子势阱界面势如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅产生电子－空穴对，由此产生的光电子被表面的势阱所吸收。而空穴被电场排斥出耗尽区。

当在金属电极上加正电压VG时，在电场的作用下，电极下Ｐ型区域里的多数载流子空穴被排斥、驱赶，形成了一个耗尽区。而对于少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域称为“势阱”。势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似与栅压VG成正比。2/2/20237势阱内吸收的光电子数量与入射光势阱附近的光强成正比。这样一个MOS结构单元就称光敏单元或一个象素；而将一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷包。通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千上万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一副明暗起伏的图像，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相对应的光电荷图像，因而得到影像信号。2/2/202381.1.2.电荷耦合CCD器件每一单元（每一像素）称为一位，有256位、1024位、2160位等线阵CCD。CCD一位中含的MOS电容个数即为CCD的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构，它们施加的时钟脉冲也分为二相、三相、四相。二相脉冲的两路脉冲相位相差1800；三相及四相脉冲的相位差分别为1200、900。当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上循环时，将实现信号电荷的定向转移及耦合。

图所示TCD1206的相邻两像元，每一位含MOS电容2个

取表面势增加的方向向下，工作过程如图所示：

2/2/20239<第二位><第一位>不对称势阱每一位下两个Φ1Φ2①t=t1时②t=t2时③t=t3时④t=t4时Φ1Φ2t1t2t3TCD1206二相驱动波形（Φ1、Φ2相位差1800）t4

at=t1时，Φ1电极处于高电平，而Φ2电极处于低电平。由于Φ1电极上栅压大于开启电压，故在Φ1下形成势阱，假设此时光敏二极管接收光照，它每一位（每一像元）的电荷都从对应的Φ1电极下放入势阱。

2/2/202310bt=t2时，Φ1电极上栅压小于Φ2电极上栅压，故Φ1电极下势阱变浅，势阱变深，电荷更多流向Φ2电极下。（由于势阱的不对称性，“左浅右深”，电荷只能朝右转移

ct=t3时，Φ2电极处于高电平，而Φ1电极处于低电平，故电荷聚集到Φ2电极下，实现了电荷从Φ1电极下到Φ2电极下的转移。

d同理可知，t=t4时，电荷包从上一位的Φ1电极下转移到下一位的Φ1电极下。因此，时钟脉冲经过一个周期，电荷包在CCD上移动一位。2/2/2023111.1.3电荷注入

光注入方式当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。在CCD中，电荷注入分为两类：光注入和电注入。N为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积，t为光注入时间2/2/202312Φ1Φ2G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（场效应管）漏极栅极源极（直流偏置）输出栅（器件内部，总打开）注：.对二相CCD，只有Φ1、Φ2电极；②.Φ2下电荷耦合进T3。（复位脉冲ΦR）4电荷检测

CCD输出结构的作用是将CCD中信号电荷变为电流或电压输出，以检测信号电荷的大小。

浮置扩散放大器属于电压输出方式，目前采用较多。其基本结构和工作原理如下：如图所示，给出了CCD的电压输出电路。放大管T1

复位管T2输出二极管T32/2/202313此电荷积分器随T2管的开与关，处于选通和关闭状态，称为选通电荷积分器放大管T1是源跟随器复位管T2工作在开关状态输出二极管T3始终处于强反偏状态A点的等效电容C由T3管的结电容加上T1管的栅电容构成，它构成一个电荷积分器Φ1Φ2G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（场效应管）漏极栅极源极（直流偏置）输出栅（器件内部，总打开）注：.对二相CCD，只有Φ1、Φ2电极；②.Φ2下电荷耦合进T3。（复位脉冲ΦR）2/2/202314Φ2Φ1ΦRVout如图所示为电压输出工作波形图。

CCD电压输出工作原理为：在每个时钟脉冲周期内，随着时钟脉冲Φ1或Φ2的下降过程，就有一个电荷包从CCD转移到输出二极管T3的N区，即转移到电荷积分器上，引起A点电位变化为：2/2/202315由于MOS管T1的电压增益为

式中gm为电导，RL为负载电阻，故T1管源极输出电压变化为：

对Vout进行读出，然后T2管栅极RG在复位脉冲ΦR的作用下导通，将电荷包Q通过T2管的沟道抽走，使A点电位重新置在VRD值，为下一次Vout读出作准备。因为是N沟道，信息电荷为电子，故加负号

当ΦR结束，T2管关闭后，由于T1管处于A点的VRD电位的强反偏状态，此积分器无放电回路，所以A点电位一直维持在VRD值，直到下一个时钟脉冲信号电荷到来为止。2/2/2023162、电荷耦合器件的特性参数2.1电荷转移效率和转移损失率N个电极转移后所剩余的电量为2/2/2023172.2驱动频率驱动频率的下限在信号电荷的转移过程中，为了避免由于热激发少数载流子而对注入信号电荷的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用时间t必须小于少数载流子的平均寿命，对于二相来讲，周期为T

载流子的平均寿命与器件的工作温度有关，工作温度越高，热激发的少数载流子平均寿命越短，驱动频率的下限越高2/2/202318驱动频率的上限驱动频率升高时，驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另一个电极的时间t应大于从一个电极转移到另一个电极的固有时间，才能保证电荷的完全转移，否则信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。电荷转移的快慢与载流子的迁移率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因素有关。2/2/2023193.2、几种常用的CCD驱动方法CCD驱动时序产生方法多种多样，常用的方法有：这种方法用数字门电路及时序电路搭成CCD驱动时序电路。一般由振荡器、单稳态触发器、计数器等组成。可用标准逻辑器件搭成或可编程逻辑器件制成。特点是驱动频率高，但逻辑设计比较复杂。a直接数字电路驱动方法

b.可编程逻辑器件CPLD驱动频率和积分时间可以调节2/2/202320c单片机驱动方法

单片机产生CCD驱动时序的方法，主要依靠程序编制，直接由单片机I/O口输出驱动时序信号。时序信号是由程序指令间的延时产生。这种方法的特点是调节时序灵活方便、编程简单，但通常具有驱动频率低的缺点。如果使用指令周期很短单片机（高速单片机），则可以克服这一缺点。

在EPROM中事先存放驱动CCD的所有时序信号数据，并由计数电路产生EPROM的地址使之输出相应的驱动时序。这种方法结构简明，与单片机驱动方法相似。dEPROM驱动方法2/2/202321e专用IC驱动方法

利用专用集成电路产生CCD驱动时序，集成度高、功能强、使用方便。在大批量生产中，驱动摄像机等视频领域首选此法，但在工业测量中又显得灵活性不好。可用可编程逻辑器件法代替“专用IC驱动方法”。2/2/2023223.3、CCD图象传感器的应用

CCD的七个应用领域

１).小型化黑白、彩色TV摄像机(面阵CCD应用最广泛的领域。)2).传真通讯系统

用1024～2048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。

3).光学字符识别

代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。

4).广播TV

2/2/2023235).工业检测与自动控制

这是CCD应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。

a.在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。b.在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。c.还可作机器人视觉传感器。

2/2/2023246).可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。

a.天文摄像观测b.

从卫星遥感地面

如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。c.

航空遥感、卫星侦察如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。

还在军事上应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。

7).

天文观测2/2/202325He-Ne信号读出信号处理时钟发生控制器计数显示器透镜细丝线阵CCDL１、微小尺寸的检测（10~500um）用衍射的方法对细丝、狭缝、微小位移、微小孔等进行测量。

根据夫琅和费衍射公式:可以得到：例：尺寸测量2/2/202326d——细丝直径；K——衍射暗纹级次K=±1,2,3…；λ——激光波长；

L——被测细丝到CCD光敏面的距离；

θ——被测细丝到第K级暗纹的连线，与光线主轴的夹角；

xk————第K级暗纹到光轴的距离。

3θ012XkSdL2/2/202327当θ很小时（即L足够大时）Sinθ≈tgθ=xk/L代入

得到：S——暗纹宽度，S=XK/K是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测S

误差分析2/2/202328由于激光波长误差很小可忽略不计，则

例：He-Ne激光λ＝632.8nm,L=1000mm±0.5mm,d=500μm,

当CCD像元选用13±1μm测量误差：2/2/202329丝越细，测量精度越高（d越小S越大），甚至可达到Δd=10-2μm.

S的测量方法

S=ns·pVn图象传感器(IS)输出的视频信号经放大器A放大，再经峰值保持电路PH和采样保持电路S/H处理，变成箱形波，送到A/D转换器进行逐位A/D转换，最后读入计算机内进行数据处理。判断并确定两暗纹之间的像元数ns，则暗纹宽度S=ns·p(p为图象传感