第一章 CCD固态图像.pdf

第一章 CCD固态图像传感器 §1-1 概述 1、应用广泛 民用、工业、国防 2、发展迅速 普及： 民用图像、视频信号获取 向高端发展： 高灵敏度、高分辨率 3、前景广阔 视频获取、图像测量、军事侦察 §1-2 CCD 电荷偶合器 CCD 固态图像传感器的核心技术是电荷耦合器件 （简称CCD ）. 一、CCD的工作原理 CCD有两种功能：电荷存储功能 电荷的转移功能 CCD可分为两种基本类型： 表面沟道CCD （简称SCCD） 体沟道CCD （简称BCCD ） 1． CCD的结构与电荷的存储 CCD的基本单元是一个MOS 电容器。工作时在 栅极与衬底之间加一正电压UG 。 ⑴当Uth UG 0 由于正电压的作用，靠近绝缘层附近的P型半导体空 穴被排斥，形成一个耗尽区。 ⑵当UG Uth U 增加耗尽区进一步拓宽, G 绝缘层与P型半导体分界面上的电势称之为表面势φS, 表面势也进一步增高。 耗尽区的电子被吸收到界面上，形成反型层。 反型层的存在实际表明了MOS结构具有吸引和存储电 荷的功能。 栅压、表面势及反型层的电荷浓度的关系： 栅压与耗尽区的关系: 栅压愈大耗尽区愈宽 栅压与表面势之间的关系： 表面势与电荷浓度的关系： 随着反型层中负电荷的增加，耗尽区缩窄，绝缘层 上的压降增大，表面势也随之下降。表面势降到最低， 即为半导体材料的费密能级φ 的两倍。 F φS = 2φF （表面势与电荷的）的反比线性关系，可用半导 体物理上的 “势阱”的概念描述。 表面势φ 相当于井深，电荷相当于井中的水。 S a. 当反型层无电荷时，相当于空 “阱”； b. 当反型层有一定电荷时，相当于水井装了部分水； c. 当电荷增加到使φ = 2φ = φ /min时， S F S 2.电荷的耦合 （电荷的转移） 电荷包的移动过程：转移的过程是三相交迭电压控制 下实现的。即φ1，φ2 ，φ3按一定间隔交迭变化，使 得电荷依次从①转移到③，这种驱动方式称为三相驱 动——称为三相CCD。 要求电极间的间距要足够小，一般应小于3μm，对 多数CCD，1μm足够了。 CCD还可分为：N型沟道CCD— P型沟道CCD—以空穴为信号电荷。 二. 电荷的注入和检测 1. 电荷的注入 ⑴光注入方式： 使光照射在CCD的硅片上，在栅极附近产生光生电 子一空穴对，多数载流子被栅压排斥开，少数载流子 则被子收集到势阱中，形成光电荷。 光注入方式又分为： 正面照射式 背面照射式 光注入电荷为： QIP = ηq ·Δn ·A ·To e η——材料的量子效应； q——电子电荷量； Δne——入射光的光子流速率 A——光敏单元的受光面积； To——光注入的时间 ⑵ 电注入 a. 电流注入法： 如图 在饱和条件下 （IG足 够高时）栅下的沟道 电流为： 2 IS = （μW/LG ）·C/2 ·（UIN – UI