第二章--影像获取技术-CCD-CMOS1.ppt

电荷存储 构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UGUth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进一步向半导体内延伸；当UGUth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。 1.2 电荷转移（耦合） 假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图b＆c。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。如图f，为三相时钟脉冲，此种CCD称为三相CCD。 CCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。 产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um。 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD（工作频率高）,而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD。 1.3 电荷的注入 （1）光注入 当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式＆背面照射式。 MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片 CCD光敏元显微照片 彩色CCD显微照片（放大7000倍） * * 影像获取技术 固体成像器件 电荷耦合器件CCD (Charge Coupled Device, CCD) 互补金属氧化物半导体 CMOS图像传感器 （Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS） CCD立体相机 前中后三层影像合成三维图片 激光高度计 (高度5m、分辨率1m) 干涉成像光谱仪 γ射线相机 X射线相机 微波探测仪 (土壤厚度、氦-3) 高能粒子探测器 低能离子探测器 元素探测 探测地月间的环境 电荷耦合器件CCD 线阵CCD 面阵CCD 表面沟道CCD(SCCD),电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移。 体沟道CCD(BCCD),电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向转移 CCD类型 1. 电荷耦合器件的工作原理 1.1、CCD工作原理 CCD 光信息 电脉冲 脉冲只反映一个光敏元的受光情况 脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱 输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置 完成图像传感 特点：以电荷作为信号 基本功能：电荷的存贮和转移 CCD基本工作原理 信号电荷的产生 信号电荷的存贮 信号电荷的转移 信号电荷的检测 1.1 电荷存贮 CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 Metal Oxide Semiconductor 金属 VG 氧化物 （SiO2） 半导体 (P—Si) 电子 势阱 界面势 如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅产生电子－空穴对，由此产生的光电子被表面的势阱所吸收。而空穴被电场排斥出耗尽区。 当在金属电极上加正电压VG时，在电场的作用下，电极下Ｐ型区域里的多数载流子空穴被排斥、驱赶，形成了一个耗尽区。 而对于少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域称为“势阱”。 势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似与栅压VG成正比。 栅电极G 氧化层 P型半导体 耗尽区 反型层 uGuth uGuth uG=0 u0 10V 10V UG=5V UG=10V UG=15V 空势阱 填充1/3势阱 全满势阱 电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体地交界面处。 MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox?UG?A 2V 10V 2V 2V a 存有电荷的势阱 b 2V 10V 2V 10V 2V 2V 10V 10V 2V 2V 10V 2V 10V 2V 2V 2V 10V 2V