光电检测c9课件

光电检测技术第8章固体成像器件

固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。

二、光电成像器件的类型光电成像器件（成像原理）扫描型非扫描型真空电子束扫描固体自扫描：CCD光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管变像管（完成图像光谱变换）红外变像管紫外变像管X射线变像管像增强管（图像强度的变换）串联式级联式微通道板式负电子亲和势阴极常由像敏面，电子透镜＆显像面构成至1974年，美国Rch公司的(512×320)象元面阵CCD摄像机问世。随着大规模集成电路工艺的不断完善和推广．其它一些国家也相继赶上、纷纷研制成功CCD器件。美国是世界上芯片（IC）设计、制造、加工工艺高度发达的国家。在CCD传感器和应用电视技术方面，以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的CCD摄像机占有绝对优势。日本是一个电子工业产业化最发达的国家之一。在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位，尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备基本上包揽了全世界的大部分市场。由于日本本国的新产品更新换代速度很快，所以无论在产品的产量上还是在产品的质量上都占据世界首位。ChargeCoupledDevice(CCD)CCD的单元结构

a)CCD单元

b)CCD线阵列

CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）结构。

表面势阱的深度，近似地与极板上所加的电压成正比（在形成反型层之前）。这时，电子在表面处的势能为Ep＝－qUs，其中的Us称为表面势，即半导体表面对于衬底的电势差。如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。

电荷包的储存

因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为：Q＝CoxUGCox：单位面积氧化层的电容电荷包的光注入机构

电荷包的转移

CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。

三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板。同理，除了有三相CCD外，还有二相的、四相的CCD。

二相CCD的时钟波形对称，但氧化层（SiO2）厚度不均匀，从而极板下面的势阱也不均匀。因此电荷包也会沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。对于二相CCD，时钟电压波形每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，每变化一个周期，则转移过二个极板。由此可见，CCD具有移位寄存器的功能。

与Φ1Φ2Φ3相连的电极称为栅极，与OG相连的电极称为输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和其它栅极一样，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱。它的势阱介于Φ3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把二者连通起来，因此可以通过改变OG上所加的电压来控制它下面的通道。例如，电荷包已由Φ2转入Φ3，当Φ3下的势阱由深变浅的同时，OG下的势陇正好也比较深，这时Φ3势阱中的电荷包就能够通过OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因此电荷包一进入二极管的耗尽区，即可被迅速地拉走，成为输出回路的电子流。因此，在没有电荷包输出时，a点为高电平，而有电荷包输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降，a点则为低电平，a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，所以这个电压变化即是输出信号。

实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，CCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移不是借助于外来的扫描，而是依靠驱动脉冲来完成的，故也称为自扫描。根据光敏象素的排列方式，CCD摄象器件分为线阵列和面阵列两大类。

CCD摄象器件

线阵列CCD摄象器件

光电二极管阵列和CCD移位寄存器统一集成在一块半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为P－Si，光电二极管阵列中各单元彼此被SiO2隔离开，排成一行，每个光电二极管即为一个象素。各光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用，与分立元件时的原理相同。如图中Φp（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的电子-空穴对中的空穴被PN结的内电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于PN结的耗尽区中。在入射光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进行，从而即可得到光生电荷的积累转移栅（Φx）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电荷（电荷包）流入CCD的通道。这时，电荷包并行地流入CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在CCD中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。对于线阵列CCD摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。

面阵列CCD摄象器件

RAIN(PHOTONS)BUCKETS(PIXELS)VERTICALCONVEYORBELTS(CCDCOLUMNS)HORIZONTALCONVEYORBELT(SERIALREGISTER)MEASURINGCYLINDER(OUTPUTAMPLIFIER)1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCDExposurefinished,bucketsnowcontainsamplesofrain.1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCDConveyorbeltstartsturningandtransfersbuckets.Raincollectedontheverticalconveyoristippedintobucketsonthehorizontalconveyor.1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCDVerticalconveyorstops.Horizontalconveyorstartsupandtipseachbucketinturnintothemeasuringcylinder.1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD`Aftereachbuckethasbeenmeasured,themeasuringcylinderisemptied,readyforthenextbucketload.1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCDAnewsetofemptybucketsissetuponthehorizontalconveyorandtheprocessisrepeated.1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCD1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCDEventuallyallthebucketshavebeenmeasured,theCCDhasbeenreadout.1.Principleof

CCD1.5ChargeTransfer

of

AreaCCDPrincipleof

CCDChargeTransfer

of

AreaCCD光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的CCD构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描时间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。CCD的主要参量转移效率η和损耗率ε

电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。

在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率η定义为η=Q1/Q0ε表示残留于原势阱中的电量与原电量之比：ε=1-η

如果线阵列CCD共有n个极板，则总效率为ηn。

引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时钟频率过高，所以表面沟道CCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因此，也称这种技术为“胖零（fatzero）”技术。另外，体内沟道CCD采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。

曲线A为没有“胖o’”电荷，曲线B为加入了50％“胖o”电荷测得的。CCD的主要参量时钟频率的上、下限

CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来储存和转移信息电荷的，所以它必须工作于非热平衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而引起失真，时钟频率过高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就变了，这样，残留于原势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。因此，使用时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估计。对于三相CCD，电荷包从前一个势阱转移到后一个势阱所需的时间为T/3，所以f下＞1/3τ

对于二相CCD，f下＞1/2τf下决定于非平衡载流子的平均寿命τ，一般为毫秒量级。电荷包在相邻两电极之间的转移时间t，应小于τ，f上决定于电荷包转移的损耗率ε，就是说，电荷包的转移要有足够的时间，电荷包转移所需的时间应使之小于所允许的值。时钟频率上限f上可作如下估算，设τD为CCD势阱中电量因热扩散作用衰减的时间常数，与材料和极板的结构有关，一般为10-8s级。若使ε不大于要求的ε0值对于三相CCD，f上≤-1/(3τDlnε0)

对于二相CCD，f上≤-1/(2τDlnε0)光谱特性

现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.4～1.15μm左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.65～0.9μm左右。CCD的光谱特性

光电特性

在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过1001x以后，输出有饱和现象。CCD的光电特性

CCD的分类－彩色CCDCCD的分类－微光CCD光学耦合方式是利用光学