光电子技术课件ppt6

光电子技术与应用
6.2.1 一维CCID
一维线阵CCID的结构如图6-7所示。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。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， 产生光生载流子（电子空穴对），其中空穴被结电场 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持 续进行，从而可得到光生电荷的积累。 光电子技术与应用
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6.2.1 一维CCID
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（如图6-8 所示）。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。双侧传输的结
图6-8 线阵CCID的两种类型
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6.2.1 一维CCID
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6.1.1 CCD的基本结构特点 如图6-1所示，为CCD的结构示意图。在p或 n型硅单晶衬底上生长一层厚1.2～1.5μm 的SiO2层，再按一定次序沉积n个金属电极 作为栅极，栅极间隙2.5μm，电极中心距 为15～20μm，于是每个电极与其下方的 SiO2和半导体构成了一个金属-氧化物-半 导体结构，即MOS结构，这种结构再加上输 入和输出就构成了n位CCD。
6.2.1 一维CCID
图6-7 线阵CCID结构
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6.2.1 一维CCID
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。
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。
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6.2.2二维CCID
二维CCD摄象器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似， 只是它的形式较多。常见的有两种结构：帧传输结构和行 间传输结构。 帧传输结构如图6-9（a）所示。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，其作用是在自扫描逆程时间内，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。
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2、CCD电极形式及驱动波形
（1）三相CCD图6-4
将栅极分为三组a、b、c，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（如图6-1所示）。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，采用特定 规律的驱动波形，可使电荷包沿着表面从 左向右传输。
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1、稳态MOS结构的物理性质
（1）多子堆积状态 金属电极加负栅极电压（VG<0），在电场作 用下，p型半导体中的空穴堆积在表面。 （如图6-2左所示） （2）多子耗尽状态 金属电极加正栅极电压（VG>0），但小于反 型的阈值电压（VG <Vth），电场排斥表面的 空穴，表面无空穴。（如图6-2中所示）
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三相CCD的时钟驱动波形如图6-4所示。三相波 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电极，每 变化一个周期，则转移过三个极板即一组电极。 也就是说，经过电极上驱动电压一个周期的作 用，信号电荷可传输一位（ai →ai+1、 bi→bi+1、ci→ci+1）。如CCD共有N位，则最 多经过N个周期，就可将信号电荷传输出来。
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4、电荷的输出方式
CCD信号电荷的输出方式主要有电流 运放输出、浮置扩散放大器输出和浮 置栅极放大器输出。
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§6.2
电荷耦合摄像器件
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移位寄存器用来完成光生电 荷转移输出，形成视频信号。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摄象器件分为一维线阵列 和二维面阵列两大类。
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第六章 光电成像技术
固体成象器件与真空成象器件相比，有显著的优点： （1）固体化，体积小，重量轻，功耗低，可靠性高， 寿命长； （2）不保留残像，无像元烧伤、扭曲，不受电磁干 扰； （3）对红外也敏感，用于夜视系统等； （4）位置精度高，可用于不接触精密测量； （5）视频信号与微机接口容易，便于图像的后续处理
第六章 光电成像技术
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第六章 光电成像技术
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概述：
1、光电成像系统按照波长分类：可见、紫外 和红外。
2、光电成像过程需要考虑的几个问题：
能量转换—物体、光学系统、接收器（光、辐射度） 成像特性—分辨能力 噪声特性—接收到信号的可靠性程度，探测器能力 传递速率—探测器的响应问题
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图6-5二相CCD的驱动波形
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3、信号电荷的注入
信号电荷的注入一般有两种方式：光注入和 电注入。光注入的方式一般用于获取图像信 息，构成摄像CCD，下节再重点讨论。这里 分析电注入方式。 电注入即通过输入端的输入二极管和输入栅 极注入信号电荷，方法很多，用得最广泛的 是电位平衡注入法。给输入二极管ID、输入 栅IG、转移栅φ1施加如图6-6所示波形，就 可将信号电荷注入。
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ID
IG
φ
1
图6-6 电注入的输入波形
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注入过程可如下分析。t = t1时，输入栅IG 和转移栅φ1下都形成深势阱，但由于输入 二极管ID施加的是高正偏压，吸引电子，所 以电子不会进入输入栅IG和转移栅φ1下的 深势阱，即不会形成反型层；t = t2时，ID 输入负脉冲，电子（信号电荷）注入，通过 输入栅IG下的通道（深势阱）进入转移栅 φ1下的深势阱中存储起来；t = t3时，ID 施加正偏压，将多余电荷（电子）抽走
6.1.2 CCD的电荷存储原理 CCD的基本单元，就是一个 MOS结构（金 属-氧化物-半导体， Metal-OxideSemiconductor）， 但与一般MOS器件的 工作原理不同。 一般MOS器件是利用半导 体表面的反型层工作的，而CCD是利用氧 化物和半导体界面的深耗尽层（势阱）工 作的，属于非稳态器件。
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6.2.1 一维CCID
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，变化一个周期，则 转移过二个极板，电荷包所转移过的空间距 离也是一个光敏元的中心距。对于三相CCD， 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，则转移 过三个极板，也是一个光敏元的中心距。这 就是线阵CCD的工作过程。
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图6-4 三相CCD的驱动波形
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（2）二相CCD
二相CCD的栅极只有两组a、b，其时钟驱动波形 对称（如图6-5所示）。 对于二相CCD，电压波形每变化T/2，电荷包转 移过一个电极，每变化一个周期，则转移过二 个电极即一位。CCD具有移位寄存器的功能。 二相CCD节省时钟脉冲相数，但信号电荷可能倒 流。为保证信号电荷的单向传输，两电极下的 氧化层（SiO2）应不相同（厚度不同或浓度不 同），从而在电极下面形成不对称势阱，可防 止电荷倒流，保证电荷包沿表面单向传输。
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1、电荷耦合原理
经过t1到t3，随着电极上电压的规律性变化，使 信号电荷传递了一位（电极①到电极②）。电极 电压按此规律变化下去，可使信号电荷一位位的 传输下去，最后输出，这就是电荷的耦合。
图6-3 电荷的耦合原理
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2、CCD电极形式及驱动波形
CCD电荷的耦合传输过程需要特定的波形驱 动，电极的形式不同，驱动脉冲的波形也不 同。CCD的电极形式有三相、二相和四相， 下面我们主要分析一下三相和二相CCD。
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2、瞬态特性
CCD工作在VG>Vth，但尚未出现强反型的瞬态，属于非稳 态器件。 CCD栅极施加电压VG时，电极下半导体表面部分的空穴 被排斥，形成一可填充负电荷的深势阱（一般称为深 耗尽层），而周围热激发的电子进入此耗尽区需要一 定时间，如果在此刻以某种方式（电注入或光注入） 向势阱中注入信号电荷，这些信号电荷就会聚集于表 面附近形成电荷包，这些电荷包就反映了待测信息。 所以，信号电荷的注入时间必须小于热激发电子的存 储时间，否则，信号电荷不是存不进去，就是取不出 来。 因此，CCD是利用形成深耗尽层的瞬时进行信号的采集 和存储的，属于非稳态器件。
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§6.1
电荷耦合器件的工作原理
电荷耦合器件（CCD）在20世纪70年代由美 国贝尔实验室首先研制成功，器件以电荷作 为信号，而不同于其它大多数器件以电流或 电压作为信号。CCD有两种基本类型：