第七章固体成像器件-刘星分解.ppt

SSPD器件的暗信号主要由积分暗电流、开关噪声和热噪声组成。 暗电流与温度有密切的关系，温度每升高7℃，暗电流约增加一倍。 降低器件的工作温度，如采用液氮致冷，便可探测非常微弱的光强信号。 2. 暗电流 下图是RL-S系列线阵SSPD的暗电流-温度特性曲线。 SSPD器件的开关噪声比较大。但开关噪声大部分是周期性的，可以用特 殊的电荷积分、采样保持电路加以消除。 热噪声是随机的、非重复性的波动，不容易通过信号处理去掉，其典型 幅值为饱和电平的0.1% ，对大多数应用影响不大。 一般情况下动态范围典型值为100:1。在要求高的场合，可通过给 SSPD线阵每个二极管附加电容器（漏电很小），使动态范围高达10000：1。 3. 动态范围 SSPD器件的动态范围为输出饱和信号峰值与暗态噪声峰值之比。 7.5.5. SSPD器件的信号读出及放大电路 （1）电流放大输出， 右图是常用电流放大器的原理图。输出信号 为尖脉冲，优点是电路简单，工作速度高（可达10MHz）； （2）电荷积分放大输出， 输出电路如右图所示。输出信号为箱形波， 优点是开关噪声小， 信号输出放大电路有两种类型： 7.6 固体成像器件的发展现状和应用 CCD今后的发展趋势是微型化、高速、高灵敏度、多功能化。 1．文字阅读与图像识别 CCD线阵成像器件可用于文字阅读和图像识别等，类似的系统可用于货币识别、条码识别，传真机、邮政编码的信封分检等，其框图示于下图。 主要是对图形进行一维或二维几何线度尺寸的测量，这是一门崭新的非 接触测量技术。它是通过计算光敏面上物像所占的光敏元的个数，然后根据 单个光敏元的尺寸以及光学系统的放大率换算而得到被测图形尺寸的，如下 图所示。 2．图形轮廓测绘系统 由于CCD光敏元是利用光刻技术逐个制作而成的，其尺寸和位置的精度 都很高，因此采用CC33像机进行测量比用其他成像系统测量精度高。 * 第7章 固体成像器件 刘星 1969年秋，美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith受磁泡的启示，提出了CCD的概念。CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，中文为 “电荷耦合器件”。 固体成象器件有两大类： 一是电荷耦合器件，简称CCD；二是自扫描光电二极管列阵，简称SSPD， SSPD又称MOS图像传感器。 与真空摄像器件相比固体成像器件有以下优点： 1 体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长； 2 无像元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰； 3 SSPD的光谱响应范围从0.25～1.1μm；对近红外线也敏感；CCD也可做成红外敏感型； 4 像元尺寸精度优于1μm,分辨率高； 5 可进行非接触位移测量； 6）基本上不保留残象（真空摄像管有15%～20%的残象）。 7 视频信号与微机接口容易。 CCD称为固体成象器件。固体成象器件不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换，再用电子束按顺序进行扫描获得视频信号； 固体成象器件本身就能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程。 第七章 固体成像器件 高锟——光纤之父 博伊尔史密斯——发明CCD图像传感器 2009年诺贝尔奖物理学奖得主 Fig.1贝尔实验室George Smith和Willard Boyle将可视电话和半导体存储技术结合发明了CCD原型 Fig.2 现代CCD芯片外观 §7.1 电荷耦合器件 7.1.1.电荷耦合器件的结构 CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。 CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的，但与MOS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，而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。 在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为120nm～150nm的SiO2层， 然后按一定次序沉积N个金属电极作为栅极，栅极间的间隙约2.5μm，电极的 中心距离15～20μm ，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个金 属-氧化物-半导体结构，即MOS结构。 这种结构再加上输入、输出 结构就构成了N位CCD。 CCD 单元 CCD线阵列 左图就是以P型硅为衬底的CCD结构示意图。 线阵列固体摄象器件基本结构简图 二维固体摄象器件电荷包帧转移结构图 7.1.2.电荷耦合原理与电极结构 对于半导体器件，当金属电极加上正电压时，接近半导体表面的空穴被排斥，电子增多，在表面下一定范围内只留下受主离子，形成耗尽区。该区域对电子来说是一个势能很低的区域，也称势阱。加在栅极上的电压愈高，表面势越高，势阱越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下