图像信息原理电荷耦合器件v2资料.pptxVIP

电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device, CCD)固体成像器件互补金属氧化物半导体 CMOS图像传感器（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）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。CCD类型体沟道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 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：电荷的存贮和转移信号电荷的产生信号电荷的存贮CCD基本工作原理信号电荷的传输信号电荷的检测1.1.1 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。 MetalOxideSemiconductorVG金属氧化物（SiO2）半导体(P—Si)电子界面势势阱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。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。 势阱内吸收的光电子数量与入射光势阱附近的光强成正比。这样一个MOS结构单元就称光敏单元或一个象素；而将一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷包。 通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千上万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一副明暗起伏的图像，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相对应的光电荷图像，因而得到影像信号。1.1.2.电荷耦合 CCD器件每一单元（每一像素）称为一位，有256位、1024位、2160位等线阵CCD。CCD一位中含的MOS电容个数即为CCD的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构，它们施加的时钟脉冲也分为二相、三相、四相。二相脉冲的两路脉冲相位相差1800；三相及四相脉冲的相位差分别为1200、900 。当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上循环时，将实现信号电荷的定向转移及耦合。 图所示TCD1206的相邻两像元，每一位含MOS电容2个 取表面势增加的方向向下，工作过程如图所示： Φ1Φ2Φ1Φ2第一位第二位t1t2t3t4不对称势阱每一位下两个TCD1206二相驱动波形（Φ1、Φ2相位差1800）① t=t1时② t=t2时③ t=t3时④ t=t4时　a　t=t1时 ，Φ1电极处于高电平，而Φ2电极处于低电平。由于Φ1电极上栅压大于开启电压，故在Φ1下形成势阱，假设此时光敏二极管接收光照，它每一位（每一像元）的电荷都从对应的Φ1电极下放入势阱。 b t=t2时 ，Φ1电极上栅压小于Φ2电极上栅压，故Φ1电极下势阱变浅，势阱变深，电荷更多流向Φ2电极下。（由于势阱的不对称性，“左浅右深”，电荷只能朝右转移 c t=t3时 ，Φ2电极处于高电平，而Φ1电极处于低电平，故电荷聚集到Φ2电极下，实现了电荷从Φ1电极下到Φ2电极下的转移。 d同理可知，t=t4时 ，电荷包从上一位的Φ1电极下转移到下一位的Φ1电极下。因此，时钟脉冲经过一个周期，电荷包在CCD上移动一位。 1.1.3 电荷注入 在CCD中，电荷注入分为两类：光注入和电注入。光注入方式 当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。N为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积，t为光注入时间（直流偏置）输出栅（器件内部，总打开）VRD（复位脉冲ΦR）VODΦ1Φ2G0RGT2漏极AT1VoutC栅极T3源极RL注：. 对二相CCD，只有Φ1、Φ2电极 ；②.Φ2下电荷耦合进T3 。MOSFET（场效应管）4 电荷检测 CCD输出结构的作用是将CCD中信号电荷变为电流或电压输出，以检测信号电荷的大小。 浮置扩散放大器属于电压输出方式，目前采用较多。其基本结构和工作原理如下：如图所示，给出了CCD的电压输出电路。放大管T1 复位管T2输出二极管T3（直流偏置）输出栅（器件内部，总