4.2固体成像器件

φ2下势阱中的电荷量
W C 2 Is ( U IN U IG U ) LG 2
W 2 2 Qs ( U IN U IG U ) Tc LG C
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电荷的检测(输出方式) 在CCD中，有效地收集和检测电荷 是一个重要问题。CCD的重要特性之 一是信号电荷在转移过程中与时钟脉 冲没有任何电容耦合，但在输出端则 不可避免。因此，选择适当的输出电 路可以将时钟脉冲容性馈入输出的程 度尽可能地减小。目前CCD的输出方 式主要有电流输出、浮置扩散放大器 输出和浮置栅放大器输出。 下面对电流输出方式作简单介绍。
2、基本上不保留残像，无像元烧伤，不受电磁干扰。 3、对红外也敏感，Si的光谱响应从0.5-1.1um，CCD可做成红 外敏感元件，在军事上可用于红外夜视系统 4、像元的尺寸几何位置精度高（优于1μ）可用于精密尺寸测量 5、视频信号与计算机接口容易
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一、电荷耦合器件
CCD摄像的原理
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（1）．单沟道线型ICCD
其光敏阵列与转移区——移位寄存器是分开的，移位寄存器被遮挡。 ICCD也可用三相时钟脉冲驱动。这种器件在光积分周期里，光敏 区在光的作用下产生光生电荷存于由栅极直流电压形成的光敏 MOS电容势阱中，当转移脉冲到来时线阵光敏阵列势阱中的信号 电荷并行转移到CCD移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位 一位地移出器件，形成视频传号。
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电流输出
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R
Id
电流输出
Qs

t
0
I D dt
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RD
电流输出
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（二）CCD的特性参数

1．转移效率和转移损失率
把一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为 转移效率。如t=0时，某电极下的电荷为Q(0)，在时间t时，大多数电 荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因 留在该电极下，若被留下来的电荷为Q(t)，则转移效率为
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若此后电极上的电压变为 图(d)所示，第二个电极 电压由10V变为2v，第三 个电极电压仍为10v，则 共有的电荷转移到第三个 电极下的势阱中，如图 (e)。由此可见，深势阱 及电荷包向有移动了一个 位置。
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通过将一定规则变化的电压加到CCD各电 极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按 一定方向移动。通常把CCD电极分为几组， 并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决 定了使其正常工作所需的相数。本图结构需 要三相时钟脉冲，其波形如图(f)所示，这 样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦 合(传输)方式必须在三相交迭脉冲的作用下 才能以一定的方向，逐个单元地转移。应该 指出，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下。这 对于图所示的电极结构是一个关键问题。如 果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将 被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个 电极向另一个电极转移。CCD便不能在外部 脉冲作用下正常工作。
出。显然，同样像敏单元的双 沟道线阵ICCD要比单沟道线 阵ICCD的转移次数少一半， 它的总转移效率也大大提高。 故一般高于256位的线阵 ICCD都为双沟道的。

双沟道线型ICCD结构图
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2面阵ICCD
（1）帧转移 图像经物镜成像到光敏区，当光敏区的某 一相电极加有适当的偏压时，光生电荷将 被收集到这些电极下方的势阱里。这样就 将被摄光学图像变成了光积分电极下的电 荷包图像。当光积分周期结束时，加到成 像区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集 到的信号电荷迅速转移到存储区中。然后， 依靠加在存储区和水平读出寄存器上的适 当脉冲，并由它经输出级输出一帧信息。 当第一场读出的同时，第二场信息通过光 积分又收集到势阱中。一旦第一场信息被 全部读出，第二场信息马上就传送给寄存 器，使之连续地读出。 这种面阵CCD的特点是结构简单，光敏 单元的尺寸可以很小，但光敏面积占总面 积的比例小。
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反型层的出现说明了栅压达到阈值时，在Si02和P型半导体 之间建立了导电沟道。因为反型层电荷是负的，故常称为 N 型沟道CCD。如果把M0S电容的衬底材料由P型换成N型， 偏置电压也反号，则反型层电荷由空穴组成，即为P型沟道 CCD。实际上因为材料中缺乏少数载流子，当外加栅压超过 阈值时反型层不能立即形成；所以在这短暂时间内耗尽区就 更向半导体内延伸，呈深度耗尽状态。深度耗尽状态是CCD 的工作状态。这时MOS电容具有存贮电荷的能力。同时，栅 极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区。如果随后可以 获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，界面势下降，氧化层 上的电压降增加。当提供足够的少数载流子时，就建立起新 的平衡状态，界面势降低到材料费密能级Φ F 的两倍。对于 掺杂为1015／cm3的P型硅半导体，其费密能级为0.3ev。这 时耗尽区的压降为0.6ev，其余电压降在氧化层上。
过t1时刻后，各电极上的电压 变为如图 (b)所示，第二个电 极仍保持为l0v，第三个电极 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。原来在第二 个电极下的电荷变为这两个电 极下势阱所共有，如图(b)和 (c)。
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两种频率下电荷转移损失率 与“胖零”电荷之间的关系
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2．工作频率
(1)决定工作频率下限因素
1 f 3
(2)工作频率的上限
少数载流子的平均寿命
1 f 3t
从一个电极转移到另一个电极所需的时间
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工作频率与转移
这种结构的CCD转 移次数多，转移效 率低，只适用于像 敏单元较少的摄像 器件。
单沟道线型ICCD结构图
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（2）．双沟道线型ICCD
它具有两列CCD移位寄存器A与 B，分列在像敏阵列的两边。当 转移栅A与B为高电位(对于N沟 道器件)时，光积分阵列的信号 电荷包同时按箭头方向转移到对 应的移位寄存器内，然后在驱动 脉冲的作用下，分别向右 转移，最后以视频信号输
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－－固体成wk.baidu.com器件
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分类
CCD
CMOS
能进行光电变换、光电 信号存储和扫描输出的 器件
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与真空光电器件相比
1、全固体化，体积小，重量轻，工作电压和功耗低；耐冲击 性好，可靠性能好，寿命长。
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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（fat zero）”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。
损失率的关系曲线
驱动脉冲频率与损失率之间的关系曲线
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(三)CCD摄像器件
用于摄像或像敏的CCD称为电荷耦合摄像器件，又简称为 ICCD。它的功能是把二维的光学图像转变成一维视频信号 输出。ICCD摄像器件不但具有体积小、重量轻、功耗小、 工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵 敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其他摄像器 件无法比拟的。目前，CCD摄像器件不论在文件复印、传真、 零件尺寸的自动测量和文字识别等民用领域，还是在空间遥 感遥测、卫星侦察、导弹制导及潜望镜水平扫描摄像机等军 事侦察系统中都发挥着重要作用。
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1、电荷存贮
图为金属－－氧化物－－半导体(MOS)结构 图。在栅极未施加偏压时P型半导体中将有 均匀的空穴(多数载流子)分布。 如果在栅极上加正电压，空穴被推 向远离栅极的一边。在绝缘体Si02 和半导体的界面附近形成一个缺乏 空穴电荷的耗尽区
随着栅极上外加电压的提高，耗尽区将进 一步向半导体内扩散。绝缘体si02和半导 体界面上的电势(为表面势Φs)随之提高， 以致于将耗尽区中的电子(少数载流子)吸 引到表面，形成一层极薄(约102μm)而电 荷浓度很高的反型层，形成时的外加电压 称为阈值Vth
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（一）、CCD工作原理


CCD的突出特点在于它以电荷作为信号。CCD的基本功能是电荷 的存贮和电荷的转移。因此，CCD的基本工作原理应是信号电荷 的产生、存贮、传输和检测。 CCD有两种基本类型， 一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体 之间的界面，并沿界面传输，这种器件称为表面沟道CCD(简称为 SCCD)，另一种是电荷包存贮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输，这种器件称为体沟道或埋沟道 器件(BCCD)。下面以SCCD为主讨论CCD的基本工作原理。

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图为实际测得的表面势Φs 与外加栅压的关系，此时 反型层电荷为零。
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图为出现反型层电荷时，表 面势Φs与反型层电荷密度的 关系。可以看出它们是成线 性关系的。
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根据上述MOS电容的工作原理，可以用一个简单的液体模型去比拟电荷存贮机 构。当电压超过阈值时，就建立了耗尽层势阱，深度与外加电压有关。当出现反 型层时，表面电位几乎呈线性下降，类似于液体倒人井中，液面到顶面的深度随 之变浅。只是这种势阱不能充满，最后有Φ F的深度
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ICCD有两大类型：线型和面型。 对于线型器件，它可以直接接 收一维光信息。因为它是一维 器件，不能直接将二维图像转 变为视频信号输出，而必须用 扫描的方法来得到整个二维图 像的视频信号。 N型沟道的三相线阵CCD用 于摄像的原理如图所示。 由光敏阵列、转移栅、 模拟位移寄存器和输 出放大器等单元构成。
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3、电荷的注入和检测
光注入 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 其收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式及 背面照射式。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。
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电流注入 如图所示，由N+扩散散区(称 为源扩散区，记为S)和P型衬底 形成的二极管是反向偏置的，数 字信号或模拟信号通过隔直电容 加到S上，用以调制输入二极管 的电位，实现电荷注入。输入栅 IG加直流
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输入栅下沟道电流为
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2、电荷耦合
为了理解在CCD中势阱及电 荷是如何从一个位置移到另 一个位置的，取CCD中四个 彼此靠得很近的电极来观察。 假定开始时有一些电荷存储 在偏压为10V的第二个电极下 面的深势阱里，其它电极上 均加有大于阈值的较低的电 压(例如2v)。(a)为零时刻 (初始时刻)
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电荷耦合器件简称为CCD(Charge Coupled Devices)，是20世纪70 年代初开始发展起来的新型半导体器件。从CCD概念提出到商品化的电 荷耦合摄像机出现仅仅经历了四年。其所以发展迅速，主要原因是它的 应用范围相当广泛。它在数字信息存贮、模拟信号处理以及作为图像传 感器等方面都有十分广泛的应用。

Q( 0 ) Q( t ) Q( t ) 1 Q( 0 ) Q( 0 )
如果转移损失率定义为 则转移效率与损失率的关系为 N次转移后剩下 的电荷为

Q( t ) Q( 0 )
1
n
Q(n) Q(0)
N次转移前后电 荷之间的关系为
Q ( n) n Q ( 0)
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