1、18-3 电荷耦合器件 人们获取的信息量的绝大部分都是通过得到的，为此获得性能良好的固态化固态化第8章 固态传感器28-3 电荷耦合器件维拉维拉博伊尔博伊尔(Willard S.(Willard S.Boyle)Boyle)和乔治和乔治史密斯（史密斯（George E.SmithGeorge E.Smith）第8章 固态传感器38-3 电荷耦合器件第8章 固态传感器48-3 电荷耦合器件(C）说明：CCD并不是一种新发明的器件，是。在，CCD能够使。第8章 固态传感器5MOS电容器组成的光敏元及数据面的电容器组成的光敏元及数据面的CCDCCD光敏元显微照片光敏元显微照片CCDCCD读出移位寄存
2、器的数读出移位寄存器的数据面显微照片据面显微照片第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件6彩色彩色CCDCCD显微照片（放大显微照片（放大70007000倍）倍）第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件7 作为作为CCDCCD的基本单元的基本单元MOSMOS电容器的电容器的结构如图结构如图1 1所示。在硅片上通过氧所示。在硅片上通过氧化生成一层化生成一层SiOSiO2 2为绝缘层为绝缘层(0.1m)(0.1m)，再，再蒸镀一层小面积蒸镀一层小面积金属金属作为电极，称作为电极，称栅栅极极，半导体硅半导体硅(以以P P型硅为例）作为型硅为例）作为，又称，又称。(电容器间隔电容器间隔1m)1m)第8章
3、固态传感器8-3 电荷耦合器件8 半导体物理学知识告诉我们，可在半导体内产生电子-空穴对，故半导体载流子有带负电荷的电子，也有带正电荷的空穴。，为多数载流子，电子浓度少，为少数载流子，N型半导体则相反。，光越强，电子光越强，电子-空穴对越多空穴对越多，这样光的强弱就与电子-空穴对的数量对应起来，了，。第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件98-3 电荷耦合器件第8章 固态传感器10带负电的耗尽带负电的耗尽层层8-3 电荷耦合器件第8章 固态传感器11表面势表面势很高8-3 电荷耦合器件第8章 固态传感器12必须注意的问题必须注意的问题图3 栅极电压大于阀值电压8-3 电荷耦合器件第8章 固态传
4、感器138-3 电荷耦合器件第8章 固态传感器uG10V10VUG=5VUG=10VUG=15V空势阱填充1/3势阱全满势阱148-3 电荷耦合器件第8章 固态传感器15 CCD的基本功能是具有存储与转移信息电荷的能力，故又称它为。实现电荷转移条件：首先，为了实现信号电荷的转换，以致相邻MOS电容的势阱相互，即相互。通常相邻MOS电容电极间隙必须小于3m，甚至小至0.2 m以下。其次，根据加在MOS电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，使信号电荷由的地方。第三，在CCD中电荷的转移必须按照。8-3 电荷耦合器件第8章 固态传感器16第8章 固态传感器在CCD中电荷的转移（右移）条件：8-3
5、电荷耦合器件17第8章 固态传感器为了实现这种定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。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到各自共同的电极上，此共同电极称为相线。举例：把MOS线列电容划分成相邻三个MOS为一单元，其中第1、4、7电容的栅极连接在同一根相线上，第2、5、8连接到第二个共同相线，第3、6、9则连接到第三个共同相线。8-3 电荷耦合器件18第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件19第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件台阶氧化层二相结构台阶氧化层二相结构20第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件21第8章 固态传感器8-3
6、 电荷耦合器件22第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件23第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件重复上述类似过程重复上述类似过程24第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件25第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件26第8章 固态传感器复位场效应管复位场效应管T T1 1、放大场效应管、放大场效应管T T2 28-3 电荷耦合器件27第8章 固态传感器输出二极管的输出二极管的N N型区域型区域浮置扩散层浮置扩散层8-3 电荷耦合器件285、CCD图像传感器的特性参数 为了全面评价CCD图像器件的性能及应用的需要，制定了下列特性参数：转移效率、不均匀度、暗电流、响应率、光谱响应、噪声、动态范围及
7、线性度、调制传递函数、功耗及分辨能力等。不同的应用场合，对特性参数的要求也各不相同。现把主要特性参数分述如下。第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件29第8章 固态传感器5、CCD图像传感器的特性参数 CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时会产生损耗。假设原始电荷量为Q0，在一次转移中，有Q1的电荷正确转移到下一个势阱，则转移效率定义为 (8-50)转移损耗(或称失效率)为 =1-(8-51)当信号电荷转移N个电极后的电荷量为QN时，则总效率为 (8-52)10QQ0(1-)NNNQQ8-3 电荷耦合器件30第8章 固态传感器转移效率对CCD的各种应用都十分重要。假设转移效率为99%，则经
8、过100个电极传递后，将仅剩下37%的电荷。（即：=99%，100=37%）而在实际的CCD应用中：（=99.999%，1000=99.0%）8-3 电荷耦合器件5、CCD图像传感器的特性参数31第8章 固态传感器转移效率与表面态有关:信号电荷沿表面传输，受界面态的俘获，转移效率最高只能达99.99%。信号电荷沿体内传输，避开了界面态影响，最高转移效率可达99.999%，甚至99.999 9%。为了减小俘获损耗，CCD可以采用所谓“胖零”的工作方式，即在，让它填充陷阱能级，以减小信号电荷的转移损失。一般“胖零”背景电荷为满阱电荷的时可获得较好的效果。第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件5、C
9、CD图像传感器的特性参数32第8章 固态传感器注意：转移损失，而是损失的那部分信号电荷在。因此，转移损失所带来的后果，不仅仅是信号的，更有害的是滞后的那部分电荷，叠加到后面的信号电荷包中，引起信号的。8-3 电荷耦合器件5、CCD图像传感器的特性参数33第8章 固态传感器 CCD图像器件在情况下的输出信号称为暗电流。暗电流的根本起因在于半导体的热激发半导体的热激发。首先是由于；其次是耗尽区边缘的少数载流子(电子)热扩散。由于等因素影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的。所以，通常以来表征暗电流大小。一般CCD的平均暗电流密度为。8-3 电荷耦合器件5、CCD图像传感器的特性参数34第8章 固
10、态传感器 暗电流的产生需要一定的时间，势阱存在时间越长，暗电流的产生需要一定的时间，势阱存在时间越长，暗电流也越大。为了减小暗电流，应尽量缩短信号电荷暗电流也越大。为了减小暗电流，应尽量缩短信号电荷的储存与转移时间。的储存与转移时间。因此，暗电流的存在，限制了因此，暗电流的存在，限制了CCDCCD驱驱动频率的下限动频率的下限。另外，光敏区的暗电流也与光信号电荷一样，在各另外，光敏区的暗电流也与光信号电荷一样，在各种种，形成一个，形成一个暗信号图像暗信号图像，叠加到光信，叠加到光信号图像上，引起号图像上，引起。尤其当器件存在个别暗。尤其当器件存在个别暗电流尖峰时，将在一幅清晰完整的图像上产生某些
11、电流尖峰时，将在一幅清晰完整的图像上产生某些“亮亮条条”或或“亮点亮点”。8-3 电荷耦合器件5、CCD图像传感器的特性参数35第8章 固态传感器 光子的散粒噪声是CCD图像器件固有的。它，决定了器件的。但它不会限制器件的动态范围。8-3 电荷耦合器件5 5、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数5.3 CCD5.3 CCD的噪声源的噪声源36第8章 固态传感器 是引起转移噪声的根本原因。转移噪声具有和两个特点。所谓积累性是指转移噪声在。所谓相关性是指。8-3 电荷耦合器件5 5、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数5.3 CCD5.3 CCD的噪声源的噪声源37
12、第8章 固态传感器（3 3）热噪声）热噪声 它它是信号是信号及及时产生的。信号时产生的。信号电荷注入回路及信号电荷检出时的复位回路均可等电荷注入回路及信号电荷检出时的复位回路均可等效为效为，从而造成，从而造成热噪声。热噪声。8-3 电荷耦合器件5 5、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数5.3 CCD5.3 CCD的噪声源的噪声源38第8章 固态传感器（3 3）热噪声）热噪声：在实际使用中，由于器件结构设计不合理，或驱动电路性能差，从而使驱动脉冲噪声大大增加。另外，“胖零”电荷注入及信号电荷检出所引起的噪声，也会因电路性能差，而远远大于理论值，这些因素往往决定了器件的噪声限。再
13、有，因的“固定图像噪声”往往成为器件的噪声限，尤其在较高时更为严重。因为在室温附近，温度每增加5，暗电流增加一倍。8-3 电荷耦合器件5 5、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数5.3 CCD5.3 CCD的噪声源的噪声源39n分辨能力：是指图像传感器，它是图像传感器的重要参数。n空间频率：任何图像的都可以通过，其明暗变化的频率(即每毫米中的“线对”)称为空间频率。n最高空间频率：CCD的分辨能力取决于其感光单元之间的间距。如果把CCD在某一方向上f0，则根据，一个图像传感器能够分辨的最高空间频率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件5 5
14、、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数012mff40CCD图像器件动态范围的上限:CCD图像器件动态范围的下限:图像器件能分辨的最小信号，即等效即等效噪声信号噪声信号。等效噪声信号:指CCD正常工作条件下，。等效噪声信号可用峰峰值，也可用均方根值均方根值。通常噪声的峰峰值为均方根值的6倍，故用两种数值算得的动态范围也相差6倍。等效噪声信号光敏单元满阱信号动态范围=第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件5 5、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数5.5 5.5 动态范围与线性度动态范围与线性度 41 通常CCD图像器件光敏单元的满阱容量约106107电子，均方根
15、总噪声约103104数量级，即6080 dB。第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件5 5、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数5.5 5.5 动态范围与线性度动态范围与线性度 等效噪声信号光敏单元满阱信号动态范围=42是指照射光强与产生的信号电荷之间的线性程度。CCD在用作光探测器时，线性度是一个很重要的性能指标。在动态范围的中间区域，非线性度基本为零。通常，在弱信号及接近满阱信号时，线性度比较差。在弱信号时，器件噪声影响大，信噪比低，引起一定离散性；在接近满阱时，由于光敏单元下耗尽区变窄，使量子效率下降，所以使线性度变差。第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件5 5、CCD
16、CCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数5.5 5.5 动态范围与线性度动态范围与线性度 43 均匀性是指CCD各感光单元对光强度响应的一致性。在CCD图像器件用于测量领域时，均匀性是决定测量精度的一个重要参数。CCD器件的均匀性主要取决于硅材料的质量、加工工艺、感光单元有效面积的一致性等因素。第8章 固态传感器8-3 电荷耦合器件5 5、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数44 (六)均匀性 均匀性是指CCD各感光单元对光强度响应的一致性。在CCD图像器件用于测量领域时，均匀性是决定测量精度的一个重要参数。CCD器件的均匀性主要取决于硅材料的质量、加工工艺、感光单元有效面积的一致性等因素。第8章 固态传感器45第8章 固态传感器
