固体成像器件成像原理
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固态成像器件原理及应用第四讲-线阵CCD
线阵列CCD的像元数已经做到20000左右。
Atmel TH7834C 像元数12000
Kodak KLI-14403 像元数14404×3
FairchildCCD21241 像元数24000×64
TCD1209D线阵CCD
1.典型单沟道线阵CCD
• 1.1 TCD1209D的基本结构 TCD1209为典型的二相单沟道线阵CCD 图象传感器,它的基本结构,工作原理和驱动 电路等都有典型性.该器件为2048像敏单元 的长阵列器件 , 采用单沟道的目的是提高像 敏单元的不均匀度和提高器件的动态范围 .
TCD1209D的特性参数
响应时间
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D驱动电路实验与结果
从TCD1209D的驱动脉冲波形图中可以看 出,其驱动器应产生SH,CR1,CR2,RS,CP5 路脉冲,其中转移脉冲SH的周期远远大于其 他4路,为了保险起见,应该尽量多的留出余 量,不能将时间安排的太紧,否则下一个信号 来临时,如果存在未曾输出的光生电荷,势必 会造成二者的叠加,破坏信号.同样,驱动脉冲 也不应设计过于紧凑,使脉冲过尖,脉冲持续 的时间过短,不利于信号的检测,会使CCD灵 敏度降低.
3.动态范围 动态范围DR定义为饱和暴光量与信噪比等于1
时的暴光量之比.但是这种定义方式不容易计算,为 此我们常常采用饱和输出电压与暗电流之比代替, 即 DR=USAT/UDARK 式中 USAT为CCD的饱和输出电压,UDARK为CCD没 有光照射的输出电压(暗电流电压). 动态范围越大的器件品质越高.
1.3 TCD1209D的特性参数
TCD1209D 是一种性能优良的线阵CCD器 件,它具有速度快,灵敏度高,动态范围宽,像 敏单元不均匀性好,功耗底,光谱响应范围宽 等优点.
Atmel TH7834C 像元数12000
Kodak KLI-14403 像元数14404×3
FairchildCCD21241 像元数24000×64
TCD1209D线阵CCD
1.典型单沟道线阵CCD
• 1.1 TCD1209D的基本结构 TCD1209为典型的二相单沟道线阵CCD 图象传感器,它的基本结构,工作原理和驱动 电路等都有典型性.该器件为2048像敏单元 的长阵列器件 , 采用单沟道的目的是提高像 敏单元的不均匀度和提高器件的动态范围 .
TCD1209D的特性参数
响应时间
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D的驱动电路
TCD1209D驱动电路实验与结果
从TCD1209D的驱动脉冲波形图中可以看 出,其驱动器应产生SH,CR1,CR2,RS,CP5 路脉冲,其中转移脉冲SH的周期远远大于其 他4路,为了保险起见,应该尽量多的留出余 量,不能将时间安排的太紧,否则下一个信号 来临时,如果存在未曾输出的光生电荷,势必 会造成二者的叠加,破坏信号.同样,驱动脉冲 也不应设计过于紧凑,使脉冲过尖,脉冲持续 的时间过短,不利于信号的检测,会使CCD灵 敏度降低.
3.动态范围 动态范围DR定义为饱和暴光量与信噪比等于1
时的暴光量之比.但是这种定义方式不容易计算,为 此我们常常采用饱和输出电压与暗电流之比代替, 即 DR=USAT/UDARK 式中 USAT为CCD的饱和输出电压,UDARK为CCD没 有光照射的输出电压(暗电流电压). 动态范围越大的器件品质越高.
1.3 TCD1209D的特性参数
TCD1209D 是一种性能优良的线阵CCD器 件,它具有速度快,灵敏度高,动态范围宽,像 敏单元不均匀性好,功耗底,光谱响应范围宽 等优点.
5.2固体成像器件
两种频率下电荷转移损失率 与“胖零”电荷之间的关系
南京理工大学 何勇
光电成像器件
－－ 固体成像
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
南京理工大学 何勇
光电成像器件
－－ 固体成像
工作频率与转移
南京理工大学 何勇
光电成像器件
－－ 固体成像
（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。
南京理工大学 何勇
光电成像器件
－－ 固体成像
光电成像器件
－－固体成像器件
南京理工大学 何勇
光电成像器件
－－ 固体成像
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
南京理工大学 何勇
光电成像器件
－－ 固体成像
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。
南京理工大学 何勇
光电成像器件
－－ 固体成像
3、电荷的注入和检测
光电成像原理与技术Chapter-固体成像器件成像原理及应用
1
2
V1 V1
t2 t3 t4 t1 t5 t6 t7 t8
2
势阱深度
1
2
1
V2
t t
（ a）
（a）
t6 t7 t8
t V1 t V1
（ b）
2 V2
势阱深度
1
V2
t1
t5
（b）
二相时钟的脉冲波形
2018/11/11
单时钟脉冲二相CCD (a)φ2断开，(b) φ2开通
8.2. CCD的结构与特性
2018/11/11
3
t t1
1 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 N-Si衬底
Al栅电极
10 SiO2 （a）
1 V 2 0 3 0 t t2 1 V 2 V 3 0
电势
（b）
（c）
1 V / 2 2 V 3 0
1 0 2 V 3 0
VG的大部分压降 Vs 落在半导体表面的空间电荷区上，只 有小部分落到SiO2上。 故而，该形成反型层的空间上没有电子，只有空的电子 势阱，也就是说表面还处在载流子耗尽状态，这种耗尽 层从表面一直延伸到半导体内深处，此状态为“深层耗 尽状态”。 －这实际上是MOS电容器处于热非平衡状态。
Vs深耗 Vs强反
2kT N a Vs ln e ni
xd max
2018/11/11
4 s 0 F eN A
1 2
稳态下的MOS电容器－强反型状态
一旦出现反型层， 耗尽层厚度xd达到最大值，且不随VG而变化。 表面出现强反型状态时对应外加偏压VG为阈值 电压（开启电压），常用Vth表示。 由于反型层中的电子实际上是被限制在表面附 近能量最低的一个狭窄区域，故称为反型层沟 道。 P 型半导体的表面反型层由电子构成，故称 N 型 沟道。
2
V1 V1
t2 t3 t4 t1 t5 t6 t7 t8
2
势阱深度
1
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1
V2
t t
（ a）
（a）
t6 t7 t8
t V1 t V1
（ b）
2 V2
势阱深度
1
V2
t1
t5
（b）
二相时钟的脉冲波形
2018/11/11
单时钟脉冲二相CCD (a)φ2断开，(b) φ2开通
8.2. CCD的结构与特性
2018/11/11
3
t t1
1 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 N-Si衬底
Al栅电极
10 SiO2 （a）
1 V 2 0 3 0 t t2 1 V 2 V 3 0
电势
（b）
（c）
1 V / 2 2 V 3 0
1 0 2 V 3 0
VG的大部分压降 Vs 落在半导体表面的空间电荷区上，只 有小部分落到SiO2上。 故而，该形成反型层的空间上没有电子，只有空的电子 势阱，也就是说表面还处在载流子耗尽状态，这种耗尽 层从表面一直延伸到半导体内深处，此状态为“深层耗 尽状态”。 －这实际上是MOS电容器处于热非平衡状态。
Vs深耗 Vs强反
2kT N a Vs ln e ni
xd max
2018/11/11
4 s 0 F eN A
1 2
稳态下的MOS电容器－强反型状态
一旦出现反型层， 耗尽层厚度xd达到最大值，且不随VG而变化。 表面出现强反型状态时对应外加偏压VG为阈值 电压（开启电压），常用Vth表示。 由于反型层中的电子实际上是被限制在表面附 近能量最低的一个狭窄区域，故称为反型层沟 道。 P 型半导体的表面反型层由电子构成，故称 N 型 沟道。
固体成像器件成像原理及应用
三相单层铝电极结构CCD
§8.2 CCD的结构与特性
为使CCD能在二相时钟脉冲驱动下工作，电极 须设计成不对称的结构，以保证电荷在不对称电 极下产生体内定向运动。
二相多晶硅栅极结构
§8.2 CCD的结构与特性
电极有方向性的二相CC D转移过程和时钟波形
§8.2 CCD的结构与特性
四电极结构CCD的奇数电极位于厚SiO2上，偶 数电极位于薄SiO2上。故即使在同一栅压下， 偶数电极下的耗尽层要深一些，以保证电荷产生 定向运动。
一、稳态下的MOS电容器
MOS电容器的结构
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
理想MOS电容在外加偏压下的能带变化
§8.1 CCD的物理基P础型与半导工体作表原面理的
当Vg>Vth(阈值电压) 时，表面出现强反型 层。耗尽层达到最大 宽度，且不随Vg变化
反型层由电子构成， 称为N沟道；而N型 半导体的反型层称为 P沟道。
➢ 耗尽层内的载流子产生的暗电流； ➢ 衬底内的载流子产生的暗电流； ➢ SiO2-Si界面产生-复合中心产生的暗电流。
7、CCD的功耗
固体成像器件成像原理及应用
§8.1 CCD的物理基础与工作原理 §8.2 CCD的结构与特性 §8.3 CCD成像原理 §8.4 增强型（微光）电荷耦合成像器件 §8.5 CCD的应用 §8.6 CMOS成像器件及其应用
固体成像器件是指利用内光电效应工作在非真 空环境下的成像器件。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、 低功耗、动态范围大。
例如：CCD、CID、CPD、SSPD
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
固 体 成 像 器 件
固体成像系统
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
§8.2 CCD的结构与特性
为使CCD能在二相时钟脉冲驱动下工作，电极 须设计成不对称的结构，以保证电荷在不对称电 极下产生体内定向运动。
二相多晶硅栅极结构
§8.2 CCD的结构与特性
电极有方向性的二相CC D转移过程和时钟波形
§8.2 CCD的结构与特性
四电极结构CCD的奇数电极位于厚SiO2上，偶 数电极位于薄SiO2上。故即使在同一栅压下， 偶数电极下的耗尽层要深一些，以保证电荷产生 定向运动。
一、稳态下的MOS电容器
MOS电容器的结构
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
理想MOS电容在外加偏压下的能带变化
§8.1 CCD的物理基P础型与半导工体作表原面理的
当Vg>Vth(阈值电压) 时，表面出现强反型 层。耗尽层达到最大 宽度，且不随Vg变化
反型层由电子构成， 称为N沟道；而N型 半导体的反型层称为 P沟道。
➢ 耗尽层内的载流子产生的暗电流； ➢ 衬底内的载流子产生的暗电流； ➢ SiO2-Si界面产生-复合中心产生的暗电流。
7、CCD的功耗
固体成像器件成像原理及应用
§8.1 CCD的物理基础与工作原理 §8.2 CCD的结构与特性 §8.3 CCD成像原理 §8.4 增强型（微光）电荷耦合成像器件 §8.5 CCD的应用 §8.6 CMOS成像器件及其应用
固体成像器件是指利用内光电效应工作在非真 空环境下的成像器件。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、 低功耗、动态范围大。
例如：CCD、CID、CPD、SSPD
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
固 体 成 像 器 件
固体成像系统
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
第八章固体成像器件成像原理2
第八章固体成像器件成像原理2第八章固体成像器件成像原理2在前一章节中我们已经介绍了固体成像器件的成像原理1，主要是通过光学透镜对光进行聚焦，然后通过光敏材料感光，然后将感光到的信息转换为电信号进行处理。
这种成像原理主要应用在传统的摄像机和数码相机中。
半导体作为一种特殊的材料，其电学性质介于导体和绝缘体之间。
当光照射到半导体表面时，部分光子将被吸收并导致半导体中的电子跃迁。
这种光电转换过程使得半导体能够将光信号转化为电信号。
在固体成像器件中，利用半导体材料的这种特性进行光电转换，实现对光信号的感测。
目前最常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
它们在可见光和红外光区域的光电转换效率较高。
固体成像器件的最基本结构是由一个光电转换层和一组读取电路组成。
光电转换层由半导体材料制成，通常被称为像敏元件。
在光照条件下，光子被吸收并激发半导体中的电子，产生电荷载流子。
这些电荷载流子被收集到感光器件表面的电荷耦合器件(CCD)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中。
然后，读取电路会测量并转换这些电荷载流子，将其转化为电压或电流信号。
最终，这些电压或电流信号经过放大和处理之后，就可以用来表示被拍摄对象在空间上不同位置的亮度分布，从而实现图像的形成和成像。
固体成像器件的成像原理2相对于成像原理1来说，具有更高的灵敏度和较低的噪声。
这主要是因为半导体材料对光的响应范围更广，能够有效感测更广泛的光谱范围。
另外，半导体材料的响应速度也更快，能够更快地转换光信号为电信号。
此外，固体成像器件的成像原理2还具有更高的空间分辨率和动态范围。
由于半导体材料的微小尺寸和高度集成的特性，固体成像器件能够实现更高的像素密度和更细致的图像分辨率。
同时，读取电路的优化设计也能够提高成像器件的动态范围，使其能够更好地处理高对比度场景。
总的来说，在固体成像器件的成像原理2中，通过半导体材料的光电转换能力，实现对光信号的感测和转换。
这种成像原理具有高灵敏度、低噪声、高空间分辨率和高动态范围的优势，因此被广泛应用于数字摄像机、智能手机和医学成像等领域。
固态成像器件原理及应用第五讲-CCD图像传感器参数及实例
2 光电特性 IA-D4面阵 CCD的光电特性 (积分时间与输 出信号电压的关 系)
2015年4月28日
第48页
• 曲线的横坐标为每个周期中的曝光时间,纵 坐标输出信号电压与饱和输出电压时间的 百分比 • 积分时间越长,CCD所接受的入射光的能量 就越多,它输出的信号电压幅度就越高; • 在一定的积分时间下,输出信号电压的幅度 与入射幅度成正比（线性关系）
2015年4月28日
第65页
2015年4月28日
第3页
• 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚 集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势形成的空间区域。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。
2015年4月28日 第4页
2015年4月28日
第5页
2015年4月28日
第44页
2015年4月28日
第45页
IA-D4型面阵CCD结构
2015年4月28日
第46页
基本特性
1 光谱响应特性 IA-D4面阵CCD的光 谱特性如图所示,光 谱响应范围为4001000nm,峰值波长为 560nm,峰值波长响应 度为10[V/(uJ/nm2)]
2015年4月28日
第47页
基本特性
2015年4月28日
第57页
London, England
2015年4月28日
第58页
分辨率：0.6m
Chaska, Minnesota 分辨率：0.6m
2015年4月28日
第59页
欧洲火星快车探测器相机
2015年4月28日 第60页
2015年4月28日
第61页
火卫一的照片 2015年4月28日 第62页
2015年4月28日
第48页
• 曲线的横坐标为每个周期中的曝光时间,纵 坐标输出信号电压与饱和输出电压时间的 百分比 • 积分时间越长,CCD所接受的入射光的能量 就越多,它输出的信号电压幅度就越高; • 在一定的积分时间下,输出信号电压的幅度 与入射幅度成正比（线性关系）
2015年4月28日
第65页
2015年4月28日
第3页
• 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚 集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势形成的空间区域。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。
2015年4月28日 第4页
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IA-D4型面阵CCD结构
2015年4月28日
第46页
基本特性
1 光谱响应特性 IA-D4面阵CCD的光 谱特性如图所示,光 谱响应范围为4001000nm,峰值波长为 560nm,峰值波长响应 度为10[V/(uJ/nm2)]
2015年4月28日
第47页
基本特性
2015年4月28日
第57页
London, England
2015年4月28日
第58页
分辨率：0.6m
Chaska, Minnesota 分辨率：0.6m
2015年4月28日
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欧洲火星快车探测器相机
2015年4月28日 第60页
2015年4月28日
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火卫一的照片 2015年4月28日 第62页
固体成像器件成像原理
固体成像器件成像原理固体成像器件（Solid-state imaging devices）是一种用于光学成像的器件，常见的例子是CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。
它们广泛应用于数码相机、摄像机、手机摄像头、微控制器等各种成像设备中。
首先，光电转换是指光信号的转换为电信号的过程。
当光照射到固体成像器件表面时，光子会激发器件中的电子，使其跃迁到导带能级上，形成载流体。
绝大部分固体成像器件使用半导体材料作为光电转换材料，其中CCD使用的是硅材料，CMOS传感器则使用的是互补金属氧化物半导体。
当光照强度越大时，激发的电子数目就越多，形成的电荷量也就越大。
在信号读出完成后，固体成像器件会将电荷信号转换为电压信号并进行放大。
在CCD传感器中，电荷通过电荷耦合器件的串行传输结构进行传递，然后通过放大电路进行放大。
而在CMOS传感器中，每个像素都有自己的放大电路，电荷经过感光器件转换为电流信号，再通过放大电路转换为电压信号进行输出。
固体成像器件的成像质量受到颗粒度、量子效率、动态范围等因素的影响。
颗粒度是指图像分辨率，也就是器件的像素数量。
量子效率是指每个像素对光的敏感程度，即光电转换效率。
动态范围是指器件能够处理的最大和最小信号差距。
在实际应用中，固体成像器件还会受到暗电流、暗噪声、像素非均匀性、幅值非线性和读出速度等因素的影响。
暗电流是指没有光照射时器件本身自带的电子产生的电流。
暗噪声是指没有光照射时由于热激励导致的电子和缺陷态的产生的电荷噪声。
像素非均匀性是指不同像素对光的响应程度不均匀。
幅值非线性是指光信号与输出电压之间的关系不是线性的。
读出速度是指将信号读出并进行处理的速度，对于高速成像来说，读出速度尤为重要。
总而言之，固体成像器件使用光电转换和信号读出两个过程进行图像成像。
通过调整材料、器件结构和电路设计等方面的参数，可以改善成像质量，并满足不同应用领域对成像器件的要求。
CCD固体成像器件综述
CCD图像传感器摘要电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)自70年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图像传感器，且广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。
它是图像采集与数字化的关键器件。
CCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和显示。
其优点体现在4个方面：1）体积小，重量轻，能耗少，工作电压低，抗冲击与振动，寿命长；2）灵敏度高，噪声低，动态范围大；3）响应速度快，刷新时无残留痕迹，摄像启动快；4）利用VLSI技术生产，象素密度高，尺寸精确，批量生产成本低。
本文先从存储电荷、电荷转移、电荷输出、电荷注入四方面先介绍了CCD的工作原理，然后介绍了CCD图像传感器主要性能参数，之后就不同结构形式CCD 图像传感器的结构、工作过程、选择依据进行说明，最后列举了一些线阵CCD 摄像器件的实例，并介绍CCD图像传感器的发展趋势。
关键词：CCD图像传感器，CCD性能参数；CCD结构形式一、CCD的工作原理CCD不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出特点是以电荷为信号。
工作过程主要包括信号电荷的产生、存储、传输和检测。
一个完整的CCD 器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成[1]。
CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行采样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。
取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。
输出信号可接到示波器、图像显示器或其它信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。
1．CCD电荷存储CCD是由金属—氧化物—半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）简称MOS构成的密排器件。
这种MOS 结构，一般是在P 型（或N 型）Si 单晶的衬底上生长一层100~200nm 的2SiO 层，再在2SiO 层上沉积具有一定形状的金属（一般是金属铝）或掺杂多晶硅电极。
5.固态成像器件-II
固态成像器件II
光子探测
固态成像：把入射的光能量转换成可测量的量(电压， 电流)。把入射端的光子和出射端的电压联系起来的 是电子。 固态成像：光生电子的产生、捕获及转移；
当光子入射到半导体基底材料上，半导体吸收光子能量 产生电子-空穴对(>1.1eV)； 电子-空穴对产生后，需要把它们分离(收集电子，排斥空 穴)，最简单的办法是施加电场； 电子被收集以后，要使其能被转换成可检测量，需要积 累一段时间(单个电子电量太小，无法被检测)；
移位寄存器继续向 右转移电荷， 同时MOS电容继续 进行光积分；
移位寄存器还继续 向右转移电荷， 同时MOS电容还继 续进行光积分； (下一次从MOS转 移到移位寄存器前， 移位寄存器中的电 荷一定要传完)
双输出通道线阵CCD
光积分过程；
光积分结束；光电荷通过转移栅转移到移位寄存器；
光电荷在移位寄存器中转移；新一轮光积分开始；
带复位开关的浮臵扩散区
等效电路可以看成，如下左图； 浮臵扩散两端的电压变化和输出脚的电压变化分别定义 为ΔV*out和ΔVout；
带复位开关的浮臵扩散区
Vout信号：首先被复位臵参考电压VDD，由于复位时钟的 耦合效应有一点下降，最后是CCD的输出信号；
带复位开关的浮臵扩散区
结构：列间转移的摄影区+帧转移的存储区； 动机：虽然IT方式的转移区是遮光的，但在某些 情况下，漏光导致的拖影也会相当明显； 应用：专业应用领域中，要求苛刻的条件下的高 摄影质量；
垂直消隐期间， 进行读出转移， 在垂直消隐结束 前，所有信号电 荷进入存储区； 在垂直图像期， 利用水平消隐期 把信号电荷逐行 送入水平移位寄 存器； 读出转移之前， 为消除光积分期 间发生的漏光电 荷，进行漏光的 扫除转移；
光子探测
固态成像：把入射的光能量转换成可测量的量(电压， 电流)。把入射端的光子和出射端的电压联系起来的 是电子。 固态成像：光生电子的产生、捕获及转移；
当光子入射到半导体基底材料上，半导体吸收光子能量 产生电子-空穴对(>1.1eV)； 电子-空穴对产生后，需要把它们分离(收集电子，排斥空 穴)，最简单的办法是施加电场； 电子被收集以后，要使其能被转换成可检测量，需要积 累一段时间(单个电子电量太小，无法被检测)；
移位寄存器继续向 右转移电荷， 同时MOS电容继续 进行光积分；
移位寄存器还继续 向右转移电荷， 同时MOS电容还继 续进行光积分； (下一次从MOS转 移到移位寄存器前， 移位寄存器中的电 荷一定要传完)
双输出通道线阵CCD
光积分过程；
光积分结束；光电荷通过转移栅转移到移位寄存器；
光电荷在移位寄存器中转移；新一轮光积分开始；
带复位开关的浮臵扩散区
等效电路可以看成，如下左图； 浮臵扩散两端的电压变化和输出脚的电压变化分别定义 为ΔV*out和ΔVout；
带复位开关的浮臵扩散区
Vout信号：首先被复位臵参考电压VDD，由于复位时钟的 耦合效应有一点下降，最后是CCD的输出信号；
带复位开关的浮臵扩散区
结构：列间转移的摄影区+帧转移的存储区； 动机：虽然IT方式的转移区是遮光的，但在某些 情况下，漏光导致的拖影也会相当明显； 应用：专业应用领域中，要求苛刻的条件下的高 摄影质量；
垂直消隐期间， 进行读出转移， 在垂直消隐结束 前，所有信号电 荷进入存储区； 在垂直图像期， 利用水平消隐期 把信号电荷逐行 送入水平移位寄 存器； 读出转移之前， 为消除光积分期 间发生的漏光电 荷，进行漏光的 扫除转移；
CCD和COMS成像器件基础知识
5)BCCD最大优点是低噪声，这主要是由于消除了信号电子 与表面态间的相互作用。低噪声加上高的转换效率使得 BCCD成为 低照度下的理想摄像器件。
UG
P型基底
栅极
Cox
QG+QI+QD=0
QG——栅电荷（+）； QI——自由电子电荷（-）； CD QD——耗尽层固定电荷（-）
QD=NAed d——耗尽层厚度；
NA——受主杂质浓度
根据半导体公式可知， d=(2εVS/NAe)1/2 ε——基底材料的介电常数。 QD=[2εNAeVs]1/2
VS↑，耗尽层宽度d↑，收集电子能力↑、势阱变深，如图6-2
（b）所示。
Ei
Ei
Vf
Ef
Ef
Ev
E
Ef
3. UG>0，UG继续增大
Ev
表面处能带进一步向下弯曲，表面处费米能级位置可能高
于禁带中央能级Ei，这意味着表面处的电子浓度将超过空穴 浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相(a反) 的一层叫做反
场感应耗尽层 和 PN结耗尽层
图6-10 埋沟CCD
图6-11 埋沟CCD能带
通过计算可得，VZ~UG 近似呈线性，VZ是氧化层厚 度dox、N层厚度dN、N层中 的施主浓度ND、P基底的受 主浓度的受主浓度NA，以及 栅压UG的函数。
1．dox=0.1μm, dN=2μm, ND=2×1015cm-3 2．dox=0.6μm, dN=2μm, ND=2×1015cm-3 3．dox=0.1μm, dN=2μm, ND=4×1015cm-3 4．dox=0.1μm, dN=5μm, ND=2×1015cm-3
2．BCCD结构(Vz)
基底为P型，在硅的表面注入杂质，如元素磷P，使之形 成N型薄层。在N型两端做上N+层，起源和漏的作用。
UG
P型基底
栅极
Cox
QG+QI+QD=0
QG——栅电荷（+）； QI——自由电子电荷（-）； CD QD——耗尽层固定电荷（-）
QD=NAed d——耗尽层厚度；
NA——受主杂质浓度
根据半导体公式可知， d=(2εVS/NAe)1/2 ε——基底材料的介电常数。 QD=[2εNAeVs]1/2
VS↑，耗尽层宽度d↑，收集电子能力↑、势阱变深，如图6-2
（b）所示。
Ei
Ei
Vf
Ef
Ef
Ev
E
Ef
3. UG>0，UG继续增大
Ev
表面处能带进一步向下弯曲，表面处费米能级位置可能高
于禁带中央能级Ei，这意味着表面处的电子浓度将超过空穴 浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相(a反) 的一层叫做反
场感应耗尽层 和 PN结耗尽层
图6-10 埋沟CCD
图6-11 埋沟CCD能带
通过计算可得，VZ~UG 近似呈线性，VZ是氧化层厚 度dox、N层厚度dN、N层中 的施主浓度ND、P基底的受 主浓度的受主浓度NA，以及 栅压UG的函数。
1．dox=0.1μm, dN=2μm, ND=2×1015cm-3 2．dox=0.6μm, dN=2μm, ND=2×1015cm-3 3．dox=0.1μm, dN=2μm, ND=4×1015cm-3 4．dox=0.1μm, dN=5μm, ND=2×1015cm-3
2．BCCD结构(Vz)
基底为P型，在硅的表面注入杂质，如元素磷P，使之形 成N型薄层。在N型两端做上N+层，起源和漏的作用。
第七章固体成像器件
7.4 CCD的性能参数 7.4.1 电荷转移效率和转移损失率
转移效率η:
Q1 100% Q0
损耗率ε :
1
总转移效率：
Qn n n n (1 ) e Q0
为减少信号电荷的损耗，常应用“胖零”技术
7.4.2 光谱响应率和干涉效应
光照 方式 背面光照：的透过率好，光谱响应曲线与光电二极 管相似(如2的示）。如果再镀增透膜则可进一步提 高响应率（如3所示） 正面光照: 电极 的多次反射一 方面减小了光 的透过率，另 一方面多次反 射光之间的干 涉使光谱响应 曲线出现起伏 （如1所示）
CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可 以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、 或DSP等)集成到传感器芯片中，而CCD则需要放大器等外 围成本，另外CCD像素传输方式决定了如果有一个像素的通 道坏掉（注意CCD中的像素有专用的传输通道，因此就算 CCD像素存在坏点，但若通道完好，仍可继续传输），那么 传感器都将无法正常工作，因此一般CCD的良率都会很低， 而CMOS则没有这个问题，因为每个像素都是独立工作，而 良率往往是决定成本的重要原因。 •而在功耗控制方面，CMOS传感器的图像采集方式为主动式， 感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD 传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动， 而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除 了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加power IC)， 高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平，所以 CMOS更为省电。
7.3* CCD摄像机分类
黑白CCD •可见光CCD •红外CCD 彩色CCD 微光CCD
第7章 固体成像器件
输出栅 输出端 输 出 二 极 管
N+ SiO2 P-Si
N+
CCD主要由信号输入、电荷转移和信号输出三部分组成 。 输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转 电注入由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成,它 给输入栅加适当的电压,在其下面半导体表面形成一 移栅下的势阱中。引入的方式有两种：电注入和光注入。 个耗尽层，这个耗尽层就相当于一个“通道”。 可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包.
假设t=t1时,已有信号电荷存贮在偏 当t=t2时,①电极和②电极均加有 当t=t3时,①电极上的电压已由+10V 压为+10V的①号电极下的势阱里,其它三 +10V电压,且两电极靠得很近，这样① 变为+2V,下面的势阱由深变浅,势阱内电 个电极上均加有大于阈值但仍较低的电 电极和②电极下面所形成的势阱就连通, 荷全部移入②电极下的深势阱中。 压,这些电极下面也有势阱,但很浅。 ①电极下的部分电荷就流入②电极下的 势阱中。 结论：从t1→t3 ，深势阱从①电极下移动到②电极下面， 势阱内的电荷也随之转移； 如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地 一位一位地顺序转移，从而形成电荷耦合。
CCD线阵列 CCD 单元 CCD线阵 列结构+输入 机构+输出机 构=N位CCD
CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的,但与MOS CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压 作为信号 晶体管的工作原理不同。 MOS晶体管是利用在电极下的半导体表面形成的反型 层进行工作的，CCD是利用在电极下SiO2:半导体界面形成 的深耗尽层（势阱）进行工作的，属非稳态器件。 信号电荷是空穴还是电子？电子 d 2U 具有被高电势吸引的特性 (Si O2 ) 0 2 dx 1.MOS结构的稳态情况 2 在制造时，SiO2 层中已掺入正离子，在UGS = 0 时就 当栅极电压UG=0时,在SiO2:P-Si 当栅极上加上一定电压UG后,在 界 1).当UG<0时:多数载流子积累状态； 在两个N+区间的P型表面层中感应出大量的电子，形成一 当栅极上加上一定电压UG后, SiO2:P-Si 界面形成符号相反的电荷, 面无电场作用,其载流子浓度与体内一样； 2).当UG>0，但尚处于小电压时:多数载 定宽度的反型层，在DS间建立了导电沟道；只要在 DS 间 在SiO2:P-Si 界面的电荷和电势 P-Si本身呈电中性，电子能量从内到表 电荷的分布随外界电压的大小和方向 流子的耗尽状态； 加正电压就会形成 ID。 分布可通过求解泊松方程得到； 面均相同。因此能带是平坦的，不存在 的变化而变化,接下来我们讨论三种 3).当UG>Uth>0时:为反型状态。 表面空间电荷区 情况.
第八章 固体成像器件成像原理3
为了获取CCD成像系统的增益，可以使用一种在CCD 相机性能评价中广泛使用的光子传递曲线方法。 光子传递曲 线：横坐标 为信号的对 数；纵坐标 为系统噪声 的对数。
25
CCD成像系统的光子传递曲线
Photon Transfer Curve
一个 CCD成 像系统 光子传 递曲线 测量实 例
S E gSC
11
N E gNC
CCD成像系统的增益
总噪声NE2由读出噪声、霰粒噪声和响应非均匀性 等其它噪声构成。
N
2 E
2 RE
2 C
2 SE
2 OE
g
2
2 RC
gSC g
2
2 OC
1 2 2 N SC ( RC OC ) g
CCD成像系统的增益表示从片上放大器开始一 直到AD转换器为止信号链路的增益的倒数。
9
CCD成像系统的增益
Apogee公司出售相机的数据单(部分)
10
www.hfut.ຫໍສະໝຸດ
CCD成像系统的增益
SC：以数字为单位表示的 CCD 信号； SE ：以电子为单位表示的 CCD收集的电荷信号，未知； NC：CCD 图像中以数字为单位计量的总噪声； NE： 以电子为单位计量的总噪声，未知； g： 增益，单位为e-/ADU,该值待计算； RE ： 以电子为单位计量的CCD 读出噪声，未知； SE ：在总噪声 NE 中的霰粒噪声 o ：图像中的其它噪声。
g 1/ a
14
RC b
CCD成像系统的增益
线性方程为： y = 0.336x+40 增益为： g＝1/0.336 =2.98 e-/ADU 读出噪声为：
光电技术 第4-5节 固体成象器件
6、CCD的特性参数
① 电荷转移效率（要求达到0.9999以上） ② 不均匀性（光敏元大小的不均匀与灵 敏度的不均匀性，一般应小于5%） ③ 暗电流 ④ 灵敏度 ⑤ 光谱响应与干涉效应
⑥ 噪声 ⑦ 分辨率与调制函数 ⑧ 动态范围与线性度（一般10-1～105lm/m2, 特别的可以到10-3～10-5lm/m2，但要进行图 象增强） ⑨ 频率范围
5、CCD的特点
1）体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。 2）空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。 3）光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比 高。 4）高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20 ％的残象) 5）集成度高 6）可用于非接触精密尺寸测量系统。 7）无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。 8）有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便 于与计算机结合接口。
在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大 小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同 深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度 同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导 体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。 为了实现电荷的定向转移，在CCD的 MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单 元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为 CCD的像数。 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道 CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷 的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由 于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N 型CCD比P型CCD的工作频率高得多。
③ 在金属电极上施加较小的正向电 压（VG>0但较小）时，表面势为正，电 子能量减小，表面处能带向下弯曲.这时 近表面处空穴被推开，一定宽度内留下 受主离子形成的空间电荷区，称多子耗 尽区。此区域对电子来说是一个势能很 低的区域，故也称“势阱”，此时能够 弯曲部分的宽度就是耗尽层的厚度，
第七章固体成像器件刘星.
7.2
电荷耦合器件的分类
CCD器件按结构可分为两大类：线阵CCD和面阵CCD。 7.2.1 线阵CCD 最简单的线阵CCD是由一个输入二极管(ID)、一个输入栅(IG)、一个 输出栅(OG)、一个输出二极管(OD)和一列紧密排列的MOS电容器构成，如下 图所示。
上述结构不宜作摄像用： （1）电极是金属的容易蔽光，即使是换成多晶硅，由于多层结构电极系统 对入射光吸收、反射和干涉比较严重，因此光强损失大，量子效率低。 （2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。
2．ILTCCD 行间转移(内线转移)结构采用了光敏区与转移区相间排列方式。这相 当于将若干个单边传输的线阵CCD图像传感器按垂直方向并排，底部设置 一个水平读出寄存器，其单元数等于垂直并排的线阵CCD图像传感器的个 数，如下图所示。
适合于低光强，“拖影”小。
7.3 CCD摄像机分类 按接收光谱分，CCD摄像机可分为可见光CCD、红外CCD、X射线CCD和紫外光CCD 7.3.1 可见光CCD
可见光CCD可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD三大类。
按照电视摄像机的类型，彩色CCD摄像机可分为三片式、二片式和单 片式三种类型。 三片式彩色CCD摄像机。景物经过摄像镜头和分光系统形 成红(R)、绿(G)、蓝(B)三个基色，图像分别照射到三片CCD上。这三片 CCD常采用行间转移结构，因为行间转移结构可以把光敏区和转移区分开， 能有效防止模糊现象。为了提高蓝光灵敏度，使用透明电极(SnO2)作为光 敏区电极，转移寄存器采用BC-CD。
CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。按照加 在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构 形式。
7.1.3 电荷耦合器件的组成及其工作原理 CCD主要由三部分组成，信号输入部分、电荷转移部分和信号输出部分。 输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。 引入的方式有两种：电注入和光注入。 在滤波、延迟线和存储器应用情况 在摄像应用
最新第7章-固体成像器件-王珊总结(共85张PPT)精品课件
电荷包图像
暂存区
行正程期间
水平读出寄存器输出 一行视频信号
第三十页，共八十五页。
水平 读出 (shuǐpíng) 寄存器
30
场正程期间(qījiān)：
行逆程期间(qījiān)
暂存区的信号电荷产 生一行平移
行正程期间
电荷包图像
暂存区
水平 读出 (shuǐpíng) 寄存器
31
第三十一页，共八十五页。
电荷 注 (diànhè) 入
CCD
电荷转移
基本功能：电荷的存储和转移
特点：以电荷作为信号
第九页，共八十五页。
电荷(diànhè) 输出
9
基本 名词 (jīběn) ：
势阱
栅极G 金属 氧化物
UG>0
半导体 P
第十页，共八十五页。
施加 正电 (shījiā) 压
空穴 耗 (kōnɡ xué) 尽区
第七页，共八十五页。
7.1.2 电荷耦合原理与电极结构
光信息
(xìnxī)
CCD
电脉冲
脉冲只反映(fǎnyìng)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(guāngzhào)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
第八页，共八十五页。
CCD的工作原理
电荷 存 (diànhè) 储
水平 读 (shuǐpíng) 出
寄存器
场逆程 场正程
成像区－>暂存区
行逆程
行正程
电荷平移 输出信号
33
第三十三页，共八十五页。
7.3 CCD摄像机分类(fēn
lèi)
7.3.1 可见光CCD
光电检测 第八章 固体成像器件
辒入栅的偏置电压,Uth为硅材料的阈值电压,μ为载流
子的迁秱率,Cox为注入栅IG的电容。
8.1
电荷耦合器件
经过Tc时间注入后,CR2下势阱的信号电荷量为
W Cox Qs ( U in U iD U th ) 2 Tc (8-5) Lg 2
可见这种注入斱式的信号电荷Qs,丌仅依赖于Uin和 Tc,而且不辒入二极管所加偏压的大小有关。因此 ,Qs不Uin没有线性关系。 用作信息存储和处理时，采用电注入的斱式辒 入电荷。信号电荷来自先注入时，也需要电注入电 路在零信号时注入少量电荷(即“胖零”模式)。
比。如图(a)所示为空势阱的情冴。图 (b)所示为反
型层电荷填充1/3势阱时
第 八 章 固 体 成 像 器 件
表面势收缩的情冴,当反型
层电荷继续增加,表面Φs 将逐渐减小,反型层电荷 足够多时,表面势Φs减小到最低值ΦF,如图（c）所示
8.1
电荷耦合器件
此时,表面势丌再束缚多余的电子,电子将产生 “溢出”现象。这样,表面势可作为势阱深度的量度, 而表面势又不栅极电压、氧化层厚度dox有关,即不
电极和②电极共有。如图（c）
所示。
8.1
电荷耦合器件
t=t3时,各电极上的电压如图 (d)所示,此时①电极上的电压 由+10 V发为+2V,下面的势 阱由深发浅,势阱内电荷开始 秱入②电极下的深势阱中。
第 八 章 固 体 成 像 器 件
深势阱仍①电极下秱动到②
电极下面,势阱内的电荷也向
右转秱(传辒)了一位。如图
得规频信号;不真空成像器件丌同,固体成像器件本
身就能完成先学图像转换、信息存储和按顺序辒出
(称自扫描)规频信号的全过程。
固态成像器件原理及应用总复习
Sony: Diagonal:
1” format Type 1 16 mm
Image size
12.8 mm
2/3” format Type 2/3
11 mm
8.8 mm
1/2” format Type 1/2
8 mm
1/3” format Type 1/3
6 mm
6.4 mm
4.4 mm
Lens Mount C -mount and CS-mount
– 钨丝的熔点约为3600K，钨丝装在抽成真空的或充有惰 性气体的玻璃泡里，工作温度通常在2200—3000 K。 光源的亮度正比于辐射体热力学温度的4次方。
– 它的发光特性稳定，寿命长，容易使用，光辐射量值 复现性好，除作光源照明外，也广泛用作传递辐射度、 光度量的标推光源。
– 发光效率较低，100W以下的一般在6%～12%。
Lens thread
Focal plane
Lens flange Flange back distance C-mount 17.526 mm CS-mount 12.526 mm
The most common lens for CCTV cameras are of the C-mount or CS-mount type. The standard is from old 16 mm film cameras. The lens thread and the distance from the lens reference flange to the image plane is standard. The lens thread is 1-32 UN-2A. Diameter is 1 inch. Thread pitch is 32/inch. 600 . Tolerance 2A The flange back distance in air is 17.526 mm for C-mount. For CS-mount it is 12.526 mm. Glass filters or prism between lens and focal plane will increase the distance. The thread length is for some cameras specified to be shorter than 4 mm. With a 5 mm adapter ring, a CS lens can be used on a C-mount camera.
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2.SiO2层上、层中及SiO2 -Si界面电荷的影响
SiO2层上、层中及SiO2-Si界面存在有各种电荷，这些电荷也将引 起半导体表面处的能带弯曲。这些电荷大致上可分为五种基本类 型： (1) 氧化物层上因沾污引起的正负离子 (2) SiO2层中的可动离子电荷 (3) 固定氧化物电荷Qf (4) 氧化物陷阱电荷 (5)
第八章 固体成像器件成像原理及应用
§8.1 §8.2 §8.3 §8.4 §8.5 §8.6
CCD的物理基础与工作原理 CCD的结构与特性 CCD成像原理 增强型（微光）电荷耦合成像 CCD的应用 CMOS成像器件及其应用
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
8.1.1 稳态下的MOS电容器 8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压 8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器的电荷
此外，CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。为此， MOS电容器阵列上所加的电位脉冲必须严格满足相位时 序要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。 下图给出了三相CCD转移过程原理图和电位脉冲时序波 形图。
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三相SCCD的转移过程及时钟脉冲波形
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
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8.2.3 CCD的结构
① 三相单层铝电极结构。如图所示
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8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器 的电荷存储原理)
非稳态时Vs特别大，此时表面处电子的静电势能为eVs，特别低，从而形成电子的深势阱，其深度为eVs。 如果此时有外界光信号或电信号的激励或注入，即在 空间电荷区产生电子-空穴对或注入电子，则空穴在表 面电场作用下被驱赶到体内耗尽区外，而电子则逆电 场运动进入势阱存储起来。
CCD 并使用有限差分方法，通过计算机求解泊松方程，得 到如图所示结果，即给出表面势作为各种间隙宽度和 各种电极长度时的对应曲线。
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8.2.1 MOS电容器的耦合
从所得结果看，为保证表面势不形成高的势垒，间隙宽 度g应小于3μm。如果g等于3μm，势垒基本消失。 g＜ 3μm时边缘效应还可以加速电荷的转移。同时，采用交 叠栅结构还能防止裸露间隙氧化物外表面的静电条件随 工作环境湿度变化造成的转移效率降低。
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8.1.2 MOS电容器系统的实+2VV0)1/2
上式是CCD势阱工作的基本关系式。CCD就是利用MOS电容 器的上述过程来存储信号和转移信号的。该过程将信号 电荷从一个因带有这些电荷而变浅的势阱中驱入相邻的 尚未变浅的深势阱中。CCD是一种工作在非平衡状态的器 件。
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
从非平衡态的建立到达到热平衡所需的时间(热激发所 产生的电子填满势阱所需的时间)称为存储时间T。T通 常表示为
T=(2τ0NAV)/ni
式中，τ0为耗尽区少子寿命。存储时间的长短主要取 决于硅晶体的完整性，优质硅单晶的存储时间长达几秒 甚至几十秒。
CCD中1、4、7…
为一共同相线，2、5、8…及3、6、9…分别为另外二个
共同相线。可见，一位CCD中包含的电容器个数即为CCD
的相数，或者说每相线连起来的电容器的个数即为CCD的
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返回8.2
8.2.3 CCD的结构
1.转移电极结构
转移电极结构通常按照每位采用的电极相数来划分。对于普通结 构的CCD，为了使电荷包单向转移，至少需要三相。对于特殊结构 的CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。 (1) 三相电极结构(三相CCD) 三相CCD是最简单的电极结构。因为在某一确定的时刻，对存储有电 荷的电极而言，两个相邻电极，需要一个被“打开”，另一个保持 “关闭”，以阻止电荷倒流。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
积累状态下可将半导体衬底同金属板一样对待，则每单 MOS
C=Cox=εoxε0 dox
式中，ε0 SiO2的介电常数。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
(2) Vg＞0的多数载流子耗尽状态
当在栅电极上加上Vg＞0的小电压时，P型衬底中的空 Si
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
3.实际MOS系统的栅极电压和阈值电压
实际MOS系统在金属栅极上所加电压的有效值为 Vg′=Vg-VFB=Vg+［Φms+Qf/Cox+1/(Coxdox)∫dox0xρ(x)dx ］ MOS系统中的阈值电压为
Vth=VFB+2ΦF-QB/Cox
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返回8.1
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理想MOS系统在外加偏压下的能带变化
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
MOS电容器的状态是随栅极电压Vg的变化而不同的。 在Vg为零时，Si表面没有电场的作用，其载流子浓度 与体内一样。Si本身呈电中性，电子能量从体内到表 面都相等，所以能带是平坦的，不存在表面空间电荷 区。这种状态称为“平带状态”。如图 (a)所示。
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返回8.1
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8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器 的电荷存储原理)
在界面层内留下了同样数目的离化受主。此时的能带
结构如图 (a)所示，外加电压大部分降落在半导体表面
的空间电荷区上(即Vs)，只有一小部分降落在SiO2层上 (即Vox)。此时，尽管半导体表面已形成强反型的条件， 但因电子尚没来得及产生，实质上那里只是空的电子势
(1) Vg＜0 当在金属栅极上加上直流负偏压，即Vg＜0时，电场使 Si内部的可移 动空穴集中到Si-SiO2界面，在Si表面形成多数载流子积累层。这种 状态称为“积累状态”。当达到热平衡时，Vg的一部分降落在SiO2层 内，其余部分将作用于半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs＜0，则eVs＞0，表面处能带向上弯曲，如图 (b)所示
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
ms
Ws
Wm e
（8-31）
为了使表面能带由弯曲变成平直，必须在金属栅极上施加一个负 电压，以抵消因功函数差带来的影响，如图 (c)所示。该电压 是为恢复平带状态所加，故称为平带电压，即
VFB ms
（8-32）
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
下一页 返回8.1
8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
1.金属-半导体功函数差的影响
功函数是指一个起始能量等于费米能量EF的电子由金属或半导
Al-SiO2-
Si(P)
Wm小于半导体的功函数WS如图
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
当二者刚刚接触而没有达到平衡时，由于金属的费米 能级高于半导体的费米能级，电子将从金属流向半导 体。金属表面因缺少电子而带正电，半导体表面由于 电子过剩而出现空间负电荷区。从而在SiO2 -Si(P)界 面由这些正负电荷作用产生指向半导体内部的电场， 使Si表面能带向下弯曲。当达到平衡时，金属Al与半 导体之间的接触电势差Φms为
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
从图 (d)中的能带看到，对表面反型层的电子来说，一 SiO2绝缘层，它的导带比半导体高许多。另一边
是弯曲的导带形成的一个陡坡，其代表由空间电荷区电 场形成的势垒。所以，反型层中的电子实际上是被限制 在表面附近能量最低的一个狭窄区域，因此，常称反型 层为沟道。P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所 以称为N沟道。反之，N型半导体则称为P
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§8.2 CCD的结构与特性
8.2.1 8.2.2 8.2.3
MOS电容器的耦合 CCD CCD
8.2.4 CCD
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8.2.1 MOS电容器的耦合
CCD能否成功地工作，首先决定于金属电极的排布情 况。为了找出最佳的间隙宽度，必须对各种尺寸的器 件求解二维泊松方程并给出表面势作为间隙的函数曲
如图所示，当电荷从左向右转移时，在任何时刻，当存
储有信号电荷的势阱抬起时，与之相邻的右边的势阱总
比该势阱深，这样才能保证电荷始终朝右边转移。为此，
CCD的MOS阵列上将几个相邻的MOS电容器划分为
一个单元而无限循环，每一单元称为一位。将每一位中
对应位置上的电容栅极分别连在各自共同的电极线上，
称之为相线。如图 (a)
留下一层离化的受主离子，这种状态称为多数载流子 “耗尽状态”。这种情况相当于MOS电容器充负电。 表面处能带向下弯曲，如图 (c)所示。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
(3) Vg＞Vth＞0的反型状态
在上述基础上正电压Vg进一步增加，如图 (d)所示，表面处能带相 对体内进一步向下弯曲，当Vg超过某一阈值时，将使得表面处禁带中 央能级Ei降到EFP以下，导带底E-离费米能级EFP更近一些。这表明表 面处电子浓度超过空穴浓度，已由P型变为N型。这种情况称之为“反 型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导体内部之间还夹有一层
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
CCD的电荷转移是利用耗尽层耦合原理，即根据加在MOS Vg(＞Vth，一般Vth为2V)越高产生的势阱
越深的事实，在耗尽层耦合的前提下，通过控制相邻MOS 电容器栅压的高度来调节势阱的深浅，使信号电荷由势
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
存储原理)
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
理想MOS系统结构如图所示。在硅片上生长一层SiO2层，厚度为 dox，再蒸镀上一层金属铝作为栅电极。硅下端制成欧姆接触， 便构成一个MOS二极管或MOS电容器。Vg为加在栅电极上的偏压， 当栅电极对地为正时，则Vg为正；反之，Vg为负。半导体作为底 电极，称为“衬底”。衬底分为P型硅衬底和N型硅衬底，它对应 不同的沟道形式。由于电子迁移率高，所以，大多数CCD选用P型 硅衬底。
SiO2层上、层中及SiO2-Si界面存在有各种电荷，这些电荷也将引 起半导体表面处的能带弯曲。这些电荷大致上可分为五种基本类 型： (1) 氧化物层上因沾污引起的正负离子 (2) SiO2层中的可动离子电荷 (3) 固定氧化物电荷Qf (4) 氧化物陷阱电荷 (5)
第八章 固体成像器件成像原理及应用
§8.1 §8.2 §8.3 §8.4 §8.5 §8.6
CCD的物理基础与工作原理 CCD的结构与特性 CCD成像原理 增强型（微光）电荷耦合成像 CCD的应用 CMOS成像器件及其应用
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
8.1.1 稳态下的MOS电容器 8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压 8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器的电荷
此外，CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。为此， MOS电容器阵列上所加的电位脉冲必须严格满足相位时 序要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。 下图给出了三相CCD转移过程原理图和电位脉冲时序波 形图。
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三相SCCD的转移过程及时钟脉冲波形
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
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8.2.3 CCD的结构
① 三相单层铝电极结构。如图所示
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8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器 的电荷存储原理)
非稳态时Vs特别大，此时表面处电子的静电势能为eVs，特别低，从而形成电子的深势阱，其深度为eVs。 如果此时有外界光信号或电信号的激励或注入，即在 空间电荷区产生电子-空穴对或注入电子，则空穴在表 面电场作用下被驱赶到体内耗尽区外，而电子则逆电 场运动进入势阱存储起来。
CCD 并使用有限差分方法，通过计算机求解泊松方程，得 到如图所示结果，即给出表面势作为各种间隙宽度和 各种电极长度时的对应曲线。
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8.2.1 MOS电容器的耦合
从所得结果看，为保证表面势不形成高的势垒，间隙宽 度g应小于3μm。如果g等于3μm，势垒基本消失。 g＜ 3μm时边缘效应还可以加速电荷的转移。同时，采用交 叠栅结构还能防止裸露间隙氧化物外表面的静电条件随 工作环境湿度变化造成的转移效率降低。
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8.1.2 MOS电容器系统的实+2VV0)1/2
上式是CCD势阱工作的基本关系式。CCD就是利用MOS电容 器的上述过程来存储信号和转移信号的。该过程将信号 电荷从一个因带有这些电荷而变浅的势阱中驱入相邻的 尚未变浅的深势阱中。CCD是一种工作在非平衡状态的器 件。
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
从非平衡态的建立到达到热平衡所需的时间(热激发所 产生的电子填满势阱所需的时间)称为存储时间T。T通 常表示为
T=(2τ0NAV)/ni
式中，τ0为耗尽区少子寿命。存储时间的长短主要取 决于硅晶体的完整性，优质硅单晶的存储时间长达几秒 甚至几十秒。
CCD中1、4、7…
为一共同相线，2、5、8…及3、6、9…分别为另外二个
共同相线。可见，一位CCD中包含的电容器个数即为CCD
的相数，或者说每相线连起来的电容器的个数即为CCD的
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8.2.3 CCD的结构
1.转移电极结构
转移电极结构通常按照每位采用的电极相数来划分。对于普通结 构的CCD，为了使电荷包单向转移，至少需要三相。对于特殊结构 的CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。 (1) 三相电极结构(三相CCD) 三相CCD是最简单的电极结构。因为在某一确定的时刻，对存储有电 荷的电极而言，两个相邻电极，需要一个被“打开”，另一个保持 “关闭”，以阻止电荷倒流。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
积累状态下可将半导体衬底同金属板一样对待，则每单 MOS
C=Cox=εoxε0 dox
式中，ε0 SiO2的介电常数。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
(2) Vg＞0的多数载流子耗尽状态
当在栅电极上加上Vg＞0的小电压时，P型衬底中的空 Si
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
3.实际MOS系统的栅极电压和阈值电压
实际MOS系统在金属栅极上所加电压的有效值为 Vg′=Vg-VFB=Vg+［Φms+Qf/Cox+1/(Coxdox)∫dox0xρ(x)dx ］ MOS系统中的阈值电压为
Vth=VFB+2ΦF-QB/Cox
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理想MOS系统在外加偏压下的能带变化
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
MOS电容器的状态是随栅极电压Vg的变化而不同的。 在Vg为零时，Si表面没有电场的作用，其载流子浓度 与体内一样。Si本身呈电中性，电子能量从体内到表 面都相等，所以能带是平坦的，不存在表面空间电荷 区。这种状态称为“平带状态”。如图 (a)所示。
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8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器 的电荷存储原理)
在界面层内留下了同样数目的离化受主。此时的能带
结构如图 (a)所示，外加电压大部分降落在半导体表面
的空间电荷区上(即Vs)，只有一小部分降落在SiO2层上 (即Vox)。此时，尽管半导体表面已形成强反型的条件， 但因电子尚没来得及产生，实质上那里只是空的电子势
(1) Vg＜0 当在金属栅极上加上直流负偏压，即Vg＜0时，电场使 Si内部的可移 动空穴集中到Si-SiO2界面，在Si表面形成多数载流子积累层。这种 状态称为“积累状态”。当达到热平衡时，Vg的一部分降落在SiO2层 内，其余部分将作用于半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs＜0，则eVs＞0，表面处能带向上弯曲，如图 (b)所示
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
ms
Ws
Wm e
（8-31）
为了使表面能带由弯曲变成平直，必须在金属栅极上施加一个负 电压，以抵消因功函数差带来的影响，如图 (c)所示。该电压 是为恢复平带状态所加，故称为平带电压，即
VFB ms
（8-32）
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
1.金属-半导体功函数差的影响
功函数是指一个起始能量等于费米能量EF的电子由金属或半导
Al-SiO2-
Si(P)
Wm小于半导体的功函数WS如图
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
当二者刚刚接触而没有达到平衡时，由于金属的费米 能级高于半导体的费米能级，电子将从金属流向半导 体。金属表面因缺少电子而带正电，半导体表面由于 电子过剩而出现空间负电荷区。从而在SiO2 -Si(P)界 面由这些正负电荷作用产生指向半导体内部的电场， 使Si表面能带向下弯曲。当达到平衡时，金属Al与半 导体之间的接触电势差Φms为
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
从图 (d)中的能带看到，对表面反型层的电子来说，一 SiO2绝缘层，它的导带比半导体高许多。另一边
是弯曲的导带形成的一个陡坡，其代表由空间电荷区电 场形成的势垒。所以，反型层中的电子实际上是被限制 在表面附近能量最低的一个狭窄区域，因此，常称反型 层为沟道。P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所 以称为N沟道。反之，N型半导体则称为P
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§8.2 CCD的结构与特性
8.2.1 8.2.2 8.2.3
MOS电容器的耦合 CCD CCD
8.2.4 CCD
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8.2.1 MOS电容器的耦合
CCD能否成功地工作，首先决定于金属电极的排布情 况。为了找出最佳的间隙宽度，必须对各种尺寸的器 件求解二维泊松方程并给出表面势作为间隙的函数曲
如图所示，当电荷从左向右转移时，在任何时刻，当存
储有信号电荷的势阱抬起时，与之相邻的右边的势阱总
比该势阱深，这样才能保证电荷始终朝右边转移。为此，
CCD的MOS阵列上将几个相邻的MOS电容器划分为
一个单元而无限循环，每一单元称为一位。将每一位中
对应位置上的电容栅极分别连在各自共同的电极线上，
称之为相线。如图 (a)
留下一层离化的受主离子，这种状态称为多数载流子 “耗尽状态”。这种情况相当于MOS电容器充负电。 表面处能带向下弯曲，如图 (c)所示。
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(3) Vg＞Vth＞0的反型状态
在上述基础上正电压Vg进一步增加，如图 (d)所示，表面处能带相 对体内进一步向下弯曲，当Vg超过某一阈值时，将使得表面处禁带中 央能级Ei降到EFP以下，导带底E-离费米能级EFP更近一些。这表明表 面处电子浓度超过空穴浓度，已由P型变为N型。这种情况称之为“反 型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导体内部之间还夹有一层
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
CCD的电荷转移是利用耗尽层耦合原理，即根据加在MOS Vg(＞Vth，一般Vth为2V)越高产生的势阱
越深的事实，在耗尽层耦合的前提下，通过控制相邻MOS 电容器栅压的高度来调节势阱的深浅，使信号电荷由势
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
存储原理)
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
理想MOS系统结构如图所示。在硅片上生长一层SiO2层，厚度为 dox，再蒸镀上一层金属铝作为栅电极。硅下端制成欧姆接触， 便构成一个MOS二极管或MOS电容器。Vg为加在栅电极上的偏压， 当栅电极对地为正时，则Vg为正；反之，Vg为负。半导体作为底 电极，称为“衬底”。衬底分为P型硅衬底和N型硅衬底，它对应 不同的沟道形式。由于电子迁移率高，所以，大多数CCD选用P型 硅衬底。