CCD基本工作原理课件.ppt

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD 的工作过程类比说明 类比中，雨滴表示光子； 收集的雨水表示 CCD 探测 的电荷 ; 小盆表示像元，小盆的深 度表示每个像元可以容纳 多少电荷； 虹吸泵表示 CCD 的移位寄 存器； 雨水量筒表示 CCD 的输出 放大器。 每个小盆接到的 雨水数量不同 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD 的工作过程类比说明 为了测量每个小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵将 每个小盆中的雨水向雨水量筒转移。 先将雨水向左移动 首先，最左边一行接雨 水的小盆将所接的雨水 通过虹吸泵转移到与雨 水量筒排成一排的一行 小盆（读出寄存器 ) 中。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD 的工作过程类比说明 ? 然后将最靠近量筒小盆中的雨水通过 虹吸泵导入量筒中测量它的数量。 ? 每次测量完成以后，都要将量筒倒空， 准备下一次测量。 图示的状态是一次 测量后的状态。 倒空量筒 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD 的工作过程类比说明 又一次测量结束。 倒空量筒 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD 的工作过程类比说明 一行电荷测量结束。 倒空量筒 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD 的工作过程类比说明 ? 重复上述转移－测量的过程，直到所有小盆中 雨水的数量都测量完毕。 ? 准备好进行下一次开始接雨水（曝光）。 （二） ICCD 的基本特性参数 1 、光电转换特性 存储于 CCD 的像敏单元中信号电荷包是由入射光子被硅衬底 材料吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，具有 良好的光电转换特性。它的光电转换因子 γ 可达到 99.7% 以上。 ? qA Q in ? t c ? e ? h ? 线性关系 2 、光谱响应 （三） ICCD 的动态范围 动态范围定义 ：像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量 和噪声决定的最小电荷量之比。 1 、势阱可存储的最大信号电荷量 取决于 CCD 的电极面积、器件结构、时钟驱动方式、驱 动脉冲电压幅度等。 （ 1 ）光子噪声 （ 2 ）电流噪声 2 、噪声 来源：电荷注入、转移、检测复位 噪声的度量方法：用等效电子数表示； （ 3 ）胖零噪声 （ 4 ）浮获噪声 （ 5 ）输出噪声 （四） ICCD 的暗电流及产生原因 暗电流是大多数摄像器件共有的特征，是判断摄像器件好坏 的重要标准。即使没有光照或者其他电荷注入时 , 仍然会存在。 1 、耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁 I i ? q n i ? i ? d 2 载流子浓度、寿命，耗尽区宽度 2 、少数载流子在中性体内的扩散 qn i 6 . 6 ? ? ? I i ? L n ? ? ? N A ? n N A ? ? n ? 3 、 Si-SiO 2 界面引起的暗电流 1 2 (A/cm) I n -3 =10 δ N s ss （五） ICCD 的分辨率 — MTF 或像元数 几种面阵 CCD 的参数 本讲小结 （重点考核内容） ? 掌握 ICCD 工作过程 ： 光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷检测 ? MOS 电容器存储信号电荷的原理 ? 电荷耦合的原理 （理解驱动脉冲和电极配合达到目的的过程） ? CCD 电极结构的基本要求 及并了解几种典型的电极结构 ? 电荷的注入及 电荷的检测 （理解检测电路构造及工作过程） ? CCD 的特性参数： 转移效率 （提高方式） 和驱动频率上下限 ? ICCD 的工作原理及分类（线阵和面阵） ? 掌握线阵及面阵 CCD 的结构组成，并理解工作过程； ? 了解 ICCD 的基本特性参数、动态范围、暗电流、分辨率 ? 本章课后习题会做（下页 PPT ） （ 3 ） 三相交叠硅栅结构 三相交叠硅栅结构是常用三相交叠电极结构形式。 电极间窄间隙，又封闭 的电极结构。 三相交叠电极可以是多晶硅，也可以是铝金属，或 者两种混用。 （ 3 ） 三相交叠硅栅结构 三相交叠硅栅的形成工艺 ：先在硅表面生成一层高 质量的氧化物（栅氧），跟着沉积一层多晶硅，掺杂 后按规定图案光刻出第一组电极；而后再进行热氧化， 形成一层氧化物，再沉积多晶硅、掺杂，第二次光