第四章CCD工作原理內(nèi)容CCD概述CCD工作過程電荷的生成電荷的收集電荷包的轉(zhuǎn)移電荷包的測量小結(jié)參考書1《電荷耦合器件原理與應(yīng)用》王以銘科學(xué)出版社1987年2《CCDArraysCamerasandDisplays》GeraldC.HolstSPIE1998電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevices）CCD概述CCD（ChargeCoupledDevices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，表面溝道CCD（簡稱為SCCD）器件；體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）。

電荷耦合器件CCD

線陣CCD

面陣CCDCMOS-CCD圖像傳感器的應(yīng)用

圖8-82CMOS器件的應(yīng)用情況保安監(jiān)視PC攝像頭機頂盒玩具醫(yī)療儀器數(shù)碼相機手機可視電話生物特征識別PDA條碼識別汽車x1x2x3y1y2y3紫色紅色藍色R:G:B=139:0:225R:G:B=225:0:0R:G:B=0:0:225y1y2y4紫色y3y4CCD工作原理簡示圖CCD（線陣列）的結(jié)構(gòu)示意圖和工作流程圖1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷收集4電荷轉(zhuǎn)移5電荷測量視頻輸出此圖摘自JamesJanesick“DuelingDetectors”特點：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的傳輸信號電荷的檢測硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)屬于金剛石晶格:每個原子被四個最鄰近的原子所包圍。每個原子在外圍軌道有四個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子。這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵。每個電子對組成一個共價鍵，組成共價鍵的電子稱為價電子。價電子通常位于價帶，不能導(dǎo)電。＋4＋4＋4＋4＋4能量增加價帶導(dǎo)帶1.12eV硅的能級圖共價鍵示意圖電荷的生成—能帶理論復(fù)習 通過加熱或光照，處于價帶的電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶。把電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量要超過價帶與導(dǎo)帶之間的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV,砷化鎵的Eg＝1.42eV)。photonphoton空穴電子電荷的生成能帶理論復(fù)習 如果一個入射光子的能量(Eph)大于或等于這種材料導(dǎo)帶與價帶之間的能隙(Eg)，就可以把一個電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為自由電子。用公式表示如下:其中h為普朗克常數(shù)，為頻率，為波長，c是光速。2-12-2電荷的生成電荷的生成 光電效應(yīng)中有一個臨界波長（），定義為：當時，光子沒有足夠的能量將電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶。這時光子只是穿過這個材料。對于本征(intrinsic)硅有：這是CCD的長波限制2-3光電導(dǎo)效應(yīng)電荷的產(chǎn)生原理動畫CCD的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。

CCD線陣列CCD單元這種結(jié)構(gòu)再加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了N位CCD。電荷的存儲（以MOS電容為例）CCD是由金屬－氧化物－半導(dǎo)體構(gòu)成的密排器件，簡稱MOS結(jié)構(gòu)，它實際就是一個MOS電容。EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFm柵極電壓Vg=0,p型半導(dǎo)體中均勻的空穴（多數(shù)載流子）分布，半導(dǎo)體中能量線延伸到表面并與表面垂直。

柵極電壓Vg<0,電場排斥電子吸引空穴，使表面電子能量增大，表面處能帶向上彎曲，越接近表面空穴濃度越大，形成空穴積累層。EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG<0Vg<0SiO2柵電極積累層P-SiVg=0SiO2柵電極P-Si

柵極電壓Vg>0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，形成空穴耗盡層。EvVG》0EFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmW

柵極電壓Vg》0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，電子濃度甚至超過空穴濃度，形成反型層。EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG>0WEvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG>0WVg》0SiO2柵電極反型層P-SiVg>0SiO2柵電極耗盡層P-Si半導(dǎo)體表面與襯底的電壓，常稱為表面勢，（用VG表示）外加電壓越大，對應(yīng)有越大的表面電勢，能帶彎曲的越厲害，相應(yīng)的能量越低，儲存電子的能力越大，通常稱其為勢阱。注入電子形成電荷包表面勢與勢阱（電荷存儲）VG051015伏VG=2V空勢阱P-SiVG=12伏全滿勢阱P-SiVG=6伏填滿1/3勢阱P-Si當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生電子—空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強度成正比。電荷的存儲對空穴來說是“勢壘”+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-VG電荷的存儲電荷的轉(zhuǎn)移 CCD工作過程的第三步是電荷包的轉(zhuǎn)移，是將所收集起來的電荷包從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。反型層的出現(xiàn)在SiO2襯底之間建立了導(dǎo)電機構(gòu)，Vg》0SiO2柵電極反型層P-SiP型襯底n溝道Vg《0SiO2柵電極反型層n-Sin型襯底p溝道n型襯底，柵極加負電壓，反型層是正電荷，稱為p溝道。p型襯底，柵極加正電壓，反型層是負電荷，稱為n溝道，電荷的轉(zhuǎn)移Vg=0SiO2柵電極P-SiVg>0SiO2柵電極耗盡層P-SiVg>>0SiO2柵電極反型層P-Si電荷的轉(zhuǎn)移nnP-Si襯底源漏輸出柵轉(zhuǎn)移柵電極SiO2n-溝道Vg>>0nnP-Si襯底源漏輸出柵轉(zhuǎn)移柵電極SiO2n-溝道電荷的轉(zhuǎn)移CCD真正工作時，Vg>0,恰好能產(chǎn)生勢阱以測量盆中的雨水類比CCD的工作過程下面通過類比說明CCD收集、轉(zhuǎn)移和測量電荷的過程。小盆虹吸泵雨水量筒CCD的工作過程類比說明右邊九個小盆代表九個像元（像素），（接水）;左邊三個小盆代表讀出寄存器（不接水）；雨水量筒表示CCD的輸出放大器。小盆的深度表示每個像元可以容納多少電荷；雨滴表示光子；收集的雨水表示CCD探測的電荷;虹吸泵表示CCD的移位寄存器；類比：每個小盆接到的雨水數(shù)量不同類比中，雨滴表示光子；收集的雨水表示CCD探測的電荷;小盆表示像元，小盆的深度表示每個像元可以容納多少電荷；虹吸泵表示CCD的移位寄存器；雨水量筒表示CCD的輸出放大器。CCD的工作過程類比說明先將雨水向左移動 首先，最左邊一行接雨水的小盆將所接的雨水通過虹吸泵轉(zhuǎn)移到與雨水量筒排成一排的一行小盆（讀出寄存器)中。為了測量每個小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵將每個小盆中的雨水向雨水量筒轉(zhuǎn)移。CCD的工作過程類比說明倒空量筒 然后將最靠近量筒小盆中的雨水通過虹吸泵導(dǎo)入量筒中測量它的數(shù)量。 每次測量完成以后，都要將量筒倒空，準備下一次測量。圖示的狀態(tài)是一次測量后的狀態(tài)。CCD的工作過程類比說明又一次測量結(jié)束。倒空量筒CCD的工作過程類比說明倒空量筒一行電荷測量結(jié)束。CCD的工作過程類比說明重復(fù)上述轉(zhuǎn)移－測量的過程，直到所有小盆中雨水的數(shù)量都測量完畢。準備好進行下一次開始接雨水（曝光）。CCD的工作過程類比說明

在由一個小盆(像元)將水(電荷包)轉(zhuǎn)移到下一個小盆(像元)的過程中，總是有一些損失。描述這個損失的參數(shù)稱為電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE)，定義為一次轉(zhuǎn)移中正確轉(zhuǎn)移電荷的百分比。電荷的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移效率在上述類比中，最遠的一個小盆的水轉(zhuǎn)移了6次，如果＝0.99，那末這盆水輸出時，剩下原來水量的94％。如果轉(zhuǎn)移100次，就剩下原來水量的37％了。2-7

電荷包的轉(zhuǎn)移是通過變換CCD電極電壓來完成的。下列圖中，標注紅色的電極為高電勢，標注黑色的電極為低電勢。123電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD123時間滑尺+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123123當?shù)谝粋€電荷包由右邊移出時，下一個電荷包由左邊移入。電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD電荷轉(zhuǎn)移和三相時鐘2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-Si2伏Φ

①

③③

②VGΦ1Φ2Φ3t2t4t1t3t5Φ1Φ2Φ3t1t3t510伏2伏2伏2伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-SiΦ

①

③③

②電荷的測量 CCD工作過程的第四步是電荷的測量，是將轉(zhuǎn)移到輸出級的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號的過程。ODOSRDRSW輸出節(jié)點襯底輸出FET復(fù)位FET相加阱20mm輸出漏極(OD)輸出源極(OS)輸出管柵極輸出節(jié)點R（復(fù)位柵極）復(fù)位漏極(RD)相加阱(SW)（相當于量筒）串行寄存器最后的幾個電極（讀出寄存器）串行寄存器電極典型CCD片內(nèi)放大器的顯微照片和片內(nèi)放大器的線路圖.電荷的測量+5V0V-5V+10V0VRSWVout當電荷包移至串行寄存器的末端時，利用輸出節(jié)點電容和輸出管(放大器)對電荷包進行測量。ODOSRDRSW復(fù)位FET相加阱串行寄存器的末端Vout電荷的測量測量過程由復(fù)位開始。復(fù)位會把前一個電荷包的電荷清除掉。輸出節(jié)點輸出FETODOSRDRSW+5V0V-5V+10V0VRSWVoutVout電荷輸送到相加阱。Vout

現(xiàn)在是參考電平。在這個期間，外部電路測量參考電平。輸出節(jié)點相加阱串行寄存器的末端電荷的測量輸出FET復(fù)位FETODOSRDRSWVout+5V0V-5V+10V0VRSWVout把電荷輸送到輸出節(jié)點電容，Vout

下降到信號電平。串行寄存器的末端輸出節(jié)點相加阱電荷的測量輸出FET復(fù)位FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout外部電路對Vout進行采樣，所采樣的Vout電平與輸入電荷包中電荷的多少成正比。ODOSRDRSWVout串行寄存器的末端輸出節(jié)點相加阱電荷的測量輸出FET復(fù)位FETCCD作業(yè)1、CCD攝像傳感器工作過程2、CCD攝像傳感器的工作原理38、CCD攝像傳感器工作過程：1光電信號轉(zhuǎn)換；2存儲電信號；3轉(zhuǎn)移電信號；4讀出信號電荷。39、CCD攝像傳感器的工作原理：（1）電荷存儲原理：構(gòu)成