曹峰梅第5章固體成像器件（5.1~5.2）光電成像原理與技術(shù)固體成像器件的發(fā)展CCD是1969年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLabs）的維拉·波義耳(WillardS.Boyle)和喬治·史密斯（GeorgeE.Smith）發(fā)明的。波義耳史密斯固體成像器件的發(fā)展CCD是1969年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLabs）的維拉·波義耳(WillardS.Boyle)和喬治·史密斯（GeorgeE.Smith）發(fā)明的。波義耳史密斯2006年，波義耳和史密斯獲德雷珀(CharlesStarkDraper)獎(jiǎng)?wù)?IEEE最高獎(jiǎng))

2009年10月6日，波義耳和史密斯獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)碌吕诅戟?jiǎng)?wù)码娬婵諗z像半導(dǎo)體材料與器件

電荷耦合器件(Charge-CoupledDevices，以下簡(jiǎn)稱為CCD)是目前最具代表性的固體成像器件。CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）、IFFPA（紅外焦平面陣列）器件也屬于固體器件。固體成像器件的發(fā)展體積大、重量沉、強(qiáng)度差、動(dòng)態(tài)范圍小固體成像器件的發(fā)展1969年，W.S.波義耳和G.E.史密斯關(guān)于電荷耦合器件的原理設(shè)想：“緊密排列在半導(dǎo)體絕緣表面上的電容器，可用來儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移電荷”——實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。初期的CCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的勢(shì)阱都位于Si-SiO2界面處，即所謂表面溝道CCD。1972年D.康首先設(shè)想了多數(shù)載流子CCD形式，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上研制出了埋溝道CCD和“蠕動(dòng)”型CCD的新結(jié)構(gòu)，有效地改善了CCD的性能。1973年美國(guó)仙童公司制成了CCD攝像傳感器，CCD從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了社會(huì)生活，開始了實(shí)用階段。一般把CCD與電荷注入器件(CID)、電荷引動(dòng)器件(CPD)、自掃描光電二極管列陣(SSPD)等器件統(tǒng)稱為電荷傳輸器件或電荷轉(zhuǎn)移器件。固體成像器件的優(yōu)點(diǎn)（相較于真空器件）體積小、重量輕、工作電壓和功耗低；靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大；耐沖擊性好，可靠性好，壽命長(zhǎng)；對(duì)近紅外也敏感，Si的光譜響應(yīng)至1.1m，可做成紅外敏感元件，軍事上用于紅外夜視系統(tǒng)；像元尺寸幾何位置精度高，可用于精密尺寸測(cè)量；視頻信號(hào)易與計(jì)算機(jī)接口。完全取代了真空器件攝像機(jī)。CCD三大主要用途：固體成像、信號(hào)處理和大容量存儲(chǔ)器。固體成像器件的應(yīng)用各種線陣、面陣像感器已廣泛用于天文、遙感、傳真、文字閱讀和電視攝像等成像領(lǐng)域，微光CCD和紅外CCD在航遙空感、熱成像等軍事應(yīng)用中顯示出很大的作用。CCD三大主要用途：固體成像、信號(hào)處理和大容量存儲(chǔ)器。固體成像器件的應(yīng)用CCD信號(hào)處理兼有數(shù)字和模擬兩種信號(hào)處理技術(shù)的長(zhǎng)處，在中等精度的雷達(dá)和通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。CCD還可用作大容量串行存儲(chǔ)器，其存取時(shí)間、系統(tǒng)容量和制造成本都介于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁盤、磁鼓存儲(chǔ)器之間。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)作為與CCD具有相近優(yōu)點(diǎn)和功能的器件，近年來得到了快速的發(fā)展，在成像領(lǐng)域正在對(duì)CCD奮起直追。輸入圖像的輻照—>光敏元(光電轉(zhuǎn)換)：二維分布的光強(qiáng)—>二維分布的電荷量；存儲(chǔ)單元在一幀的周期內(nèi)連續(xù)積累由光敏元產(chǎn)生的電量，并保持電荷量在空間的分布；通過器件內(nèi)部的自掃描(CCD電荷耦合或CMOS空間尋址)，在一幀周期內(nèi)完成全靶面的信號(hào)電荷讀出。具體攝像過程利用器件自身通過控制電壓變化進(jìn)行信號(hào)的讀取和轉(zhuǎn)移傳輸，沒有任何外界的部件代替電子槍掃描實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換電荷的高速讀出電子驅(qū)動(dòng)電荷耦合順序讀出：CCD、電荷引動(dòng)器件(CPD)等水平/垂直移位寄存器X-Y尋址讀出：CMOS、電荷注入器件(CID)、自掃描光電二極管列陣(SSPD)等光敏元結(jié)構(gòu)與排列方面有區(qū)別CCD或CMOS作為不同輻射波段焦平面陣列的讀出電路固體成像器件的圖像信號(hào)讀出紅外焦平面器件X射線成像器件CCD、CMOS主流固體成像器件5.1CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理MOS電容器的基本結(jié)構(gòu)MOS電容器的基本結(jié)構(gòu)：硅片上生長(zhǎng)一層SiO2層，厚度為dox蒸鍍上一層金屬鋁為柵電極，柵極外接電壓VG半導(dǎo)體作為底電極,稱為襯底,由于電子遷移率高,多數(shù)CCD選用P型硅作襯底。CCD(Charge-CoupledDevices)電荷耦合器件：基于MOS(金屬－氧化物－半導(dǎo)體）電容器在非穩(wěn)態(tài)下工作的一種器件。5.1.1穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)VG=0，Si表面載流子濃度與體內(nèi)相同，呈電中性，不存在空間電荷區(qū)，能帶為平坦的，此為“平帶狀態(tài)”。VG<0，電場(chǎng)使Si表面形成多數(shù)載流子的積累層，此為“積累狀態(tài)”。熱平衡時(shí)，VG的一部分降落在SiO2層內(nèi)，其余部分將作用于半導(dǎo)體引起表面勢(shì)。穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)(a)實(shí)空間分布(平帶條件);(b)能帶分布(平帶條件(c)實(shí)空間分布(表面累積層);(d)能帶分布(表面累積層(e)實(shí)空間分布(淺耗盡層);(f)能帶分布(淺耗盡層);理想MOS系統(tǒng)在外加偏壓下的實(shí)空間和能帶分布穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)(g)實(shí)空間分布(深耗盡層);(h)能帶分布(深耗盡層);(i)實(shí)空間分布(表面反型層，表面有電子);(j)能帶分布(表面反型層)理想MOS系統(tǒng)在外加偏壓下的實(shí)空間和能帶分布穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)VG>0，Si表面處留下一層離化的受主離子，此為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”。VG>Vth>0,表面處電子濃度超過空穴濃度，已有P型變?yōu)镹型，這種狀況為“反型狀態(tài)”。從反型層到半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾有耗盡層。弱反型：表面處電子濃度開始超過空穴濃度;強(qiáng)反型：表面處反型載流子濃度已達(dá)到體內(nèi)多數(shù)載流子濃度。穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器狀態(tài)在強(qiáng)反型狀態(tài)下，表面電子濃度隨Vs增加而按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，而Vs隨耗盡層厚度xd呈二次函數(shù)增加。一旦出現(xiàn)反型層，則耗盡層厚度xd達(dá)到最大值，且不隨VG而變化。表面出現(xiàn)強(qiáng)反型狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)外加偏壓VG為閾值電壓（開啟電壓），常用Vth表示。由于反型層中的電子實(shí)際上是被限制在表面附近能量最低的一個(gè)狹窄區(qū)域，故稱反型層為溝道。

P型半導(dǎo)體的表面反型層由電子構(gòu)成，故稱N型溝道。5.1.2非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器（MOS電容器的電荷存儲(chǔ)原理）非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲(chǔ)原理問題的關(guān)鍵：在電壓加到柵極上的瞬間，在介電弛豫時(shí)間(10-12s)之內(nèi)，半導(dǎo)體中只有多數(shù)載流子空穴能跟上變化，少數(shù)載流子電子取決于產(chǎn)生－復(fù)合過程（還沒來得及生成），故盡管VG

>Vth，具有真正意義的反型層還沒形成?。?！非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲(chǔ)原理VG的大部分壓降Vs落在半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)上，只有小部分落到SiO2上。故而，該形成反型層的空間上沒有電子，只有空的電子勢(shì)阱，也就是說表面還處在載流子耗盡狀態(tài)，這種耗盡層從表面一直延伸到半導(dǎo)體內(nèi)深處，此狀態(tài)為“深層耗盡狀態(tài)”。

——這實(shí)際上是MOS電容器處于熱非平衡狀態(tài)。非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲(chǔ)原理隨著時(shí)間的推移，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子將進(jìn)入勢(shì)阱，逐漸恢復(fù)熱平衡，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，形成強(qiáng)反型層。這個(gè)時(shí)間T，稱為存貯時(shí)間。其中NA半導(dǎo)體襯底摻雜濃度，τ0耗盡區(qū)少子壽命，ni本征半導(dǎo)體載流子濃度。存貯時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于硅晶體的完整性，優(yōu)質(zhì)硅單晶的存貯時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾秒甚至幾十秒。非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲(chǔ)原理非穩(wěn)態(tài)下，Vs最大，形成的電子勢(shì)阱e(cuò)Vs最深。如此時(shí)有外界光信號(hào)或電信號(hào)激勵(lì)或注入，即在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)或注入電子，空穴被驅(qū)至耗盡層外，電子則逆電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入勢(shì)阱存貯起來。勢(shì)阱滿了，就不能再積累了。CCD就是利用MOS電容器上述過程來存儲(chǔ)信號(hào)、轉(zhuǎn)移信號(hào)的，這些過程必須在非平衡狀態(tài)下工作?！盘?hào)的感生與存貯電極上的電壓越大，勢(shì)阱越深，可存儲(chǔ)的電荷量越多，代表了CCD器件電荷存儲(chǔ)的能力相同柵極電壓下，氧化層越厚，表面勢(shì)越低表面勢(shì)：半導(dǎo)體與氧化層界面上的電勢(shì)。表征耗盡區(qū)的深度，與柵極電壓和氧化層厚度有關(guān)勢(shì)阱：有表面勢(shì)產(chǎn)生的阱狀空間

（存儲(chǔ)電荷的電勢(shì)分布狀態(tài)）非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器——電荷存儲(chǔ)原理CCD器件的電荷存儲(chǔ)外界光照射下，CCD中的硅襯底會(huì)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)這時(shí)若在鋁電極上加一個(gè)正電壓，它所形成的電場(chǎng)就會(huì)穿過二氧化硅層排斥硅襯底中的多數(shù)載流子（空穴），并吸引少數(shù)載流子（電子）。在硅和二氧化硅界面附近得到了一個(gè)存儲(chǔ)少數(shù)載流子（電子）的勢(shì)阱。鋁電極上的電壓越大，勢(shì)阱越深，可存儲(chǔ)的電荷量越多。5.1.3CCD的電荷耦合與傳輸原理兩個(gè)間隔較大的MOS電容器，在兩個(gè)金屬柵極之間沒有被金屬覆蓋那部分的氧化物下存在勢(shì)壘，不能使一個(gè)MOS電容器中存儲(chǔ)的信息電荷轉(zhuǎn)移到另一個(gè)MOS電容器中。當(dāng)兩個(gè)金屬柵極彼此足夠靠近時(shí)，其間隙下表面勢(shì)將由兩柵極上電位決定，從而形成兩個(gè)MOS電容器下耗盡層的耦合。MOS電容器的耦合(a)間距大，耗盡層間存在勢(shì)壘；(b)間距小，耗盡層耦合使一個(gè)MOS電容器中存儲(chǔ)的信號(hào)電荷能轉(zhuǎn)移到下一個(gè)MOS電容器中，通常電極間隙取0.1~0.2μm。耗盡層的耦合CCD電荷傳輸原理CCD電荷耦合與傳輸CCD是一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器列陣。它具有存貯和轉(zhuǎn)移信息的能力，故又稱之為動(dòng)態(tài)移位寄存器。CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖電荷包：勢(shì)阱中存貯的自由電荷電荷轉(zhuǎn)移：利用耗盡層耦合的原理，將電荷包有規(guī)律地傳輸出去－－通過控制相鄰MOS電容器柵壓來調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的位置流向勢(shì)阱深的位置；轉(zhuǎn)移要按照確定的方向：由不同相位上的電壓脈沖按照嚴(yán)格的時(shí)序被控制；轉(zhuǎn)移要沿確定的路線：工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮好溝道和溝阻，電荷轉(zhuǎn)移通道為溝道，限制溝道的部分為溝阻。CCD電荷耦合與傳輸5.1.4CCD的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)CCD的電極分成幾組，每一組稱為一相，每一組施加同樣的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖。CCD工作所需的驅(qū)動(dòng)脈沖相數(shù)由其電極結(jié)構(gòu)決定。信號(hào)電荷必須在相應(yīng)驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，才能以一定方向逐單元地轉(zhuǎn)移。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)CCD三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——三相采用一層多晶硅的三相電阻海結(jié)構(gòu)采用三層多晶硅的三相交疊柵結(jié)構(gòu)三相時(shí)鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)，電荷包源勢(shì)阱與接受勢(shì)阱同時(shí)共存，以保證電荷在這兩個(gè)勢(shì)阱間充分轉(zhuǎn)移時(shí)鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)時(shí)鐘脈沖幅度選取適當(dāng)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相二相時(shí)鐘的脈沖波形單時(shí)鐘脈沖二相CCD(a)φ2斷開，(b)φ2開通轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——二相

四相CCD的電極結(jié)構(gòu)編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——四相轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——四相四相CCD的電勢(shì)分布與轉(zhuǎn)移過程轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)——四相

前照與背照?轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)表面溝道形式：表面CCD，簡(jiǎn)記為SCCD(SurfaceChannelCCD)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移的位置：貼近氧化層界面的襯底內(nèi)轉(zhuǎn)移

SCCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。當(dāng)電荷包轉(zhuǎn)移時(shí)，空的界面態(tài)從溝道中獲得電子，如果它能很快地把這些電子釋放出來，隨原電荷包一起前進(jìn)，將不影響轉(zhuǎn)移效率；但若釋放慢，則電子將進(jìn)入后續(xù)的電荷包，造成信息損失。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)體內(nèi)或埋溝道形式：埋溝CCD，簡(jiǎn)記為BCCD(BuriedchannelCCD)為了避免表面態(tài)的影響，將電荷轉(zhuǎn)移溝道做在體內(nèi)，從而形成BCCD。通過在硅表面注入雜質(zhì)，使之形成N型薄層，并在兩端加上N＋層，起源、漏作用。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)埋溝CCD與表面CCD電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理的區(qū)別在于：①前者攜帶信息的電子是N層中的多子，而后者則是P層中的少子；②表面CCD中的信號(hào)電荷集中在界面處很薄的反型層中，而埋溝CCD的信號(hào)電荷集中在體內(nèi)的P-N結(jié)平面附近。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)BCCD優(yōu)于SCCD的性能主要為：

因信號(hào)電荷在體內(nèi)存貯和轉(zhuǎn)移，避開了界面態(tài)俘獲信號(hào)的不良影響，所以轉(zhuǎn)移損失率比SCCD小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

由于各柵極電壓間有較強(qiáng)的耦合，這種耦合隨溝道加深而變強(qiáng)，從而增加了邊緣電場(chǎng)。加之硅體內(nèi)遷移率比表面高約一倍，故BCCD工作頻率較高，可在135MHz的時(shí)鐘下工作。

BCCD的最大優(yōu)點(diǎn)是噪聲低，可工作在低照度下。BCCD的主要缺點(diǎn)：信號(hào)處理容量小，比表面CCD小一個(gè)數(shù)量級(jí)?！鉀Q方式：使用蠕動(dòng)式CCD（P2CCD)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)表面CCD具有比埋溝CCD好的線性，是因?yàn)楸砻鍯CD的電容有兩部分，即氧化層電容Cox和耗盡層電容Cd，Cox不變，而Cd隨信號(hào)大小及Vg而變。但埋溝CCD則除了這兩部分外，還多了一個(gè)可變電容Cd1，其位于電荷包和SiO2層之間，所以，埋溝CCD的線性較表面CCD的差。兩者均因有耗盡層電容Cd而具有非線性。輸入輸出結(jié)構(gòu)源極柵極漏極信號(hào)電荷注入光注入：只要光敏區(qū)的光敏柵極施加正電壓使柵極下產(chǎn)生耗盡勢(shì)阱，則光敏區(qū)產(chǎn)生光生載流子被收集到勢(shì)阱中。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵為高電平時(shí)，信號(hào)電荷將從光敏區(qū)寄存器轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，完成光注入。電注入：對(duì)CCD勢(shì)阱電容注入電荷。通常由一個(gè)輸入二極管(ID)，一個(gè)或幾個(gè)輸入控制柵(IG)來完成。輸入輸出結(jié)構(gòu)電位平衡法注入信號(hào)電荷與相鄰兩柵極的電勢(shì)差成正比，這樣的電荷分為信號(hào)電荷和襯底電荷，注入到勢(shì)阱的絕對(duì)電荷量不代表信號(hào)電荷，只有電荷量差值才是信號(hào)電荷。這個(gè)襯底電荷相當(dāng)于“胖零”電荷。電位平衡法：利用輸入柵極G1表面勢(shì)與存貯柵G2表面勢(shì)來獲得信號(hào)電荷：輸入柵壓G1保持恒定電壓，輸入信號(hào)加在G2上，開始輸入二極管加低電位脈沖，此時(shí)，由于VG2>VD，故信號(hào)電荷注滿G2勢(shì)阱，隨即升高二極管電位，使之處于強(qiáng)反偏狀態(tài)，這樣G2存貯勢(shì)阱中多余的電荷便向二極管區(qū)倒流，直至G1與G2下面的表面勢(shì)相等位置。輸入輸出結(jié)構(gòu)信號(hào)電荷輸出信號(hào)電荷在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)移到輸出端的最后一個(gè)時(shí)鐘電極下面，需無(wú)損檢測(cè)出電荷包電流輸出：常用反偏二極管，外加體外放大器。電壓輸出：浮置擴(kuò)散放大器輸出，或浮置柵放大器輸出。

resetT1Vout

T2輸入輸出結(jié)構(gòu)浮置柵極放大器輸出結(jié)構(gòu)5.1.5CCD的物理性能CCD的物理性能開啟電壓Vth：產(chǎn)生溝道所需的柵壓，與SiO2層的電容有關(guān)，SiO2層越厚，該電容越小，開啟電壓越大?！?/p>

SiO2層的厚度要適當(dāng)。開啟電壓還與金屬-硅的功函數(shù)差、SiO2層中的固定的和可動(dòng)的電荷及襯底的摻雜濃度等因素有關(guān)。滿勢(shì)阱時(shí)信號(hào)電荷的容納量：SCCD由SiO2層電容及相鄰電極電位差決定；BCCD溝道越深，存貯能力越低。CCD的物理性能工作頻率下限：因CCD工作在非穩(wěn)態(tài)，故工作頻率有下限：如少子壽命為τe，轉(zhuǎn)移所需時(shí)間為tr，時(shí)鐘周期為T，對(duì)于三相CCD需使：上限：因CCD電極有一定長(zhǎng)度，電荷轉(zhuǎn)移需要一定時(shí)間，加之CCD存在界面態(tài)，故工作頻率有上限如轉(zhuǎn)移所需時(shí)間為tr，時(shí)鐘周期（CP)為T，對(duì)于三相CCD需使：要求界面態(tài)俘獲載流子的時(shí)間τc小于T/3，即CCD的物理性能轉(zhuǎn)移效率η：轉(zhuǎn)移到相鄰勢(shì)阱中的電荷與原勢(shì)阱中的電荷之比CCD一次電荷轉(zhuǎn)移損失率為ε(t)，轉(zhuǎn)移效率與轉(zhuǎn)移損失率之和為1如電荷在CCD中經(jīng)過多次轉(zhuǎn)移，則總轉(zhuǎn)移效率為：ε越大，轉(zhuǎn)移次數(shù)n越多，則信號(hào)電荷的衰減越快，從而導(dǎo)致器件性能下降。CCD的物理性能影響轉(zhuǎn)移效率的主要因素：電荷轉(zhuǎn)移速度：在時(shí)鐘脈沖較低時(shí)，損失效率為常數(shù)，頻率高時(shí)，損失率增大。界面態(tài)俘獲：解決方法－“胖零”工作模式，通過用一定數(shù)量的基底電荷先將界面態(tài)填滿，當(dāng)信號(hào)電荷注入時(shí)，信號(hào)電荷被俘獲的幾率變小，而界面態(tài)釋放出來的電荷又可以跟上原來的電荷包。從而在一定程度上減小了界面態(tài)帶來的損失。－“0”信號(hào)時(shí)，也有基底電荷注入。極間勢(shì)壘：解決方法：盡量減小極間距，采用高阻襯底。CCD的物理性能填充因子：感光有效面積/像素總面積。CCD的物理性能噪聲：CCD為低噪聲器件散粒噪聲：微觀粒子的無(wú)規(guī)則性和隨機(jī)性轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移損失、界面態(tài)俘獲、體內(nèi)陷阱俘獲熱噪聲：基底電荷注入、信號(hào)電荷注入及檢出時(shí)引入暗電流：既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信號(hào)。以耗盡層內(nèi)載流子產(chǎn)生的暗電流為主。功耗：主要為驅(qū)動(dòng)電路的功耗（片外功耗）——低功耗器件。5.2CCD成像原理5.2.1線陣CCD成像原理線陣CCD工作原理線陣CCD攝像器件(a)單邊傳輸(b)雙邊傳輸LCCD一維圖像傳感器單邊傳輸轉(zhuǎn)移次數(shù)較多，適于像元數(shù)較少的攝像器件。雙邊傳輸較單邊傳輸時(shí)間縮短一半，轉(zhuǎn)移效率提高。線陣CCD攝像器件組成：光敏陣列+轉(zhuǎn)移柵+CCD移位寄存器+輸出放大器線陣CCD工作原理LCCD工作過程(c)轉(zhuǎn)移階段(d)轉(zhuǎn)移結(jié)束階段轉(zhuǎn)移溝道勢(shì)阱分布(a)積分階段(b)轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備階段計(jì)數(shù)：計(jì)數(shù)器用來記錄驅(qū)動(dòng)周期的個(gè)數(shù)，N+m，考慮到“行回掃”的時(shí)間需要，采用過驅(qū)動(dòng)，m為過驅(qū)動(dòng)的次數(shù)。LCCD缺點(diǎn)

：積累時(shí)間過短，每個(gè)像元只有一行掃描時(shí)間的積累。線陣CCD工作原理LCCD工作波形5.2.2面陣CCD傳輸原理面陣CCD傳輸原理面陣CCD的結(jié)構(gòu)行間轉(zhuǎn)移幀／場(chǎng)轉(zhuǎn)移全幀轉(zhuǎn)移SonyICX493AQAMpixels

APS-C1.8"sensor面陣CCD：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)IT-CCDIT-CCD像素結(jié)構(gòu)

幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)FT-CCD幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移面陣CCD攝像器件幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移CCD5.2.3TDI-CCD的成像模式時(shí)間延遲－積分（TDI陣列）問題的提出線陣CCD要攝取二維平面圖像，攝像機(jī)與景物之間必須相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度v0和攝像機(jī)的積分時(shí)間ti決定著攝像系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)方向的最小可分辨尺寸dg(積分時(shí)間內(nèi)攝像機(jī)通過光學(xué)系統(tǒng)在物平面上的投影）。dg

＝

v0

ti信號(hào)的幅值與積分時(shí)間成正比!垂直分辨力與積分時(shí)間成反比!顯然，分辨力與信號(hào)幅值的乘積與積分時(shí)間無(wú)關(guān)。解決方案：使用面陣CCD，采用延遲－積分的方式，既可提高信號(hào)強(qiáng)度，又不影響分辨力。設(shè)列陣為M行N列，沿列方向同景物相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只要延遲時(shí)間和掃描速度一致，可把M行從同一景物單元接收到像敏元的信號(hào)積累起來，相當(dāng)于對(duì)每一列來講，每個(gè)像敏元的信號(hào)電荷量都增大了M倍，因此靈敏度提高了M倍，而幾何分辨力不變。時(shí)間延遲－積分（