光电器件CCD原理.ppt

二、信号转移部分 信号转移部分的作用是存储和转移信号电荷。 转移部分是由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。 转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。 通常是将重复频率相同、波形相同并且彼此之间有固定相位关系的多相时钟脉冲(数字脉冲)分组依次加在CCD转移部分的电极上，使电极上的电压按一定规律变化，从而在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱。 由图可见，在信号电荷包运动的前方总是有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前定向作连续运动。 势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，受限于势阱的热弛豫时间，它必须远小于热弛豫时间，所以CCD是在非平衡状态工作的一种功能器件。 三、输出部分 输出部分由一个输出二极管、输出栅和一个输出耦合电路组成，其作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出，并检测出电荷包所输出的信息。 最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置； 输出二极管处于反向偏置状态，到达最后一个转移栅下的电荷包，通过输出栅下“通道”，到达反向偏置的二极管并检出，从而产生一个尖峰波形，此波形受偏置电阻(R)、寄生电容(C)，以及电荷耦合器件工作频率的影响。 FDA读出方法的等效电路 二极管输出电路及输出波形 左上图示出了这种输出电路及波形。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。 现在多采用浮置栅输出技术，它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用，如左下图所示。 浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度(数百毫伏)，以及良好的线性和较低的输出阻抗。 CCD的输出电路的设计和制造，和输入电路一样是极为重要的，它们决定了整个CCD器件的噪声幅值。 由于CCD是低噪声器件，因此选择和设计好CCD输入和输出电路，对于提高器件的信噪比，增大动态范围有着决定性的影响。 电荷转移沟道 CCD的信号电荷转移沟道有两类， 表面沟道电荷耦合器件(SCCD) 体内沟道(隐埋沟道或埋沟)电荷耦合器件(BCCD)。 信号电荷包转移和存储的势阱是在Si—SiO2界面处的Si表面移动的， 而半导体硅表面处晶格周期性中断，在禁带中将存在着密度很高的局部能级(相当于1015cm-2数量级)。 经过一定的化学处理后的Si表面总存在着一层极薄的SiO2膜，使得Si和SiO2界面上的表面态数目少于硅自由表面上的表面态数目，可以降到1010cm-2数量级，但是无法消除。 界面态的存在将和信号电荷相互作用，对转移特性如转移速度等，影响甚大。 为了克服界面态对转移沟道中信号电荷转移的影响， 可以通过外延技术或离子注入技术等，在氧化层下的半导体表面附近设置一层浅N层，将转移沟道由半导体表面移到“远离”界面的体内，这就叫做BCCD。 ① SCCD比BCCD的信号处理能力大，因为BCCD中电荷包到电极的有效距离比SCCD中氧化层的距离要大，降低了有效电容(相对于SCCD的氧化物电容而言)，也降低了信号处理能力。 表面沟道和体内沟道的转移结构和性能差别 ②BCCD由于有较大的边缘电场和较高的载流子迁移率，因而缩短了载流子的渡越时间，提高了CCD的工作频率上限，频率可达几百兆赫，比SCCD提高了一个数量级以上。 ③由于BCCD的转移沟道在半导体内，避免了表面态的俘获作用，而体内缺陷态密度比表面态密度低得多，因而大大提高了CCD的转移效率。 ④SCCD是少子器件，即信号电荷是少数载流子； 而BCCD是多子器件，信号电荷是多数载流子，这是两者的一个重要区别。 SCCD最大的优点是制作工艺简单、信号处理容量大，在一些运行速度要求不高的场合，具有很大的适应性。 两种转移沟道CCD各有优缺点，在应用中不能完全相互代替。 BCCD最大的优点是噪声低，这种低噪声和高传输效率相结合，可使BCCD成为低照度下较为理想的摄像器件(此时BCCD信号容量小将不是主要矛盾)。 CCD的分类 1 按结构分类 线阵CCD\面阵CCD。 一、线阵CCD 线阵CCD是由一个二极管(ID)、一个输入栅(IG)、一个输出栅(OG)、一个输出二极管(OD)和一列紧密排列的MOS电容器构成 ② 电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。 ③ 因为信号输出的占空因数通常很小，所以如果作为摄像器件则常将光敏区和转移区分开，构成单边传输结构和双边传输结构。