第四章光电成像.pptVIP

当足够数目的电子汇集在表面时，势阱中存储的电子足以使势阱的深度变为零，表面势就不再变化了，达到饱和状态（热平衡状态），此时离开表面的扩散电流和流向表面的漂移电流达到动态平衡。达到热平衡所需要的时间称为热驰豫时间。在室温下，热驰豫时间为1S-几S，与其结构和工艺有关。如图（c）。Xdt=0Xdt=t1+-t=t2热平衡（a）（b）（c）第61页，共115页，星期日，2025年，2月5日在饱和状态下并不存在有用的势阱。CCD要存储有用的信号电荷，则要求信号电荷的存储时间远远于小于热驰豫时间，即CCD是在非平衡状态下工作的。趁MOS电容器刚加上电压，还没达到平衡状态以前进行光注入Xdt=t1+-+++++--------信号电荷第62页，共115页，星期日，2025年，2月5日让一束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带，电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。如图所示。+++++--------信号电荷第63页，共115页，星期日，2025年，2月5日收集在势阱中的“电荷包”的大小与入射光的照度成正比。当CCD用作拍摄光学图像时，把按照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布，注入到每一位深势阱中。在热驰豫过程终结前较长时间，势阱中热电子的成分远远小于光生电子，所以势阱中积存的电荷量代表了入射光强度信息。光生电荷存储的CCD——CIDCID构成的摄像机——ICCD第64页，共115页，星期日，2025年，2月5日电荷转移（电荷耦合）由MOS结构的工作原理可知，CCD存储信号是通过电极上加电压来实现的。CCD传输信号电荷是通过电极上加不同的电压来实现的，依靠CCD本身各电极下势阱形状的变化使电荷转移。5V10V5V5V1432-----5V10V5V15V1432----第65页，共115页，星期日，2025年，2月5日当电极3所加偏压增到15V时，电极3下的势阱将比电极2下的势阱更深，于是电极2下存储的电荷将沿界面移向电极3下的势阱。外加在栅级上的电压愈高，表面势越高，势阱越深。浅势阱至深势阱交替改变栅级电压，使势阱形状变化，完成电荷转移。电荷转移过程=信息输出过程——自扫描。通常电极结构按所加脉冲电压的相数分为二相系统、三相系统和四相系统。第66页，共115页，星期日，2025年，2月5日三相CCD的电荷转移1432----567----?3?2?1第一位第二位n位??????三相CCD结构第67页，共115页，星期日，2025年，2月5日（a）初始状态；(b)电荷由①电极向②电极转移；(c)电荷在①、②电极下均匀分布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极；(f)3相交叠脉冲。第68页，共115页，星期日，2025年，2月5日第69页，共115页，星期日，2025年，2月5日假设电荷最初存储在电极①(加有10V电压)下面的势阱中，如图(a)所示，加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持在高于某一临界值电压Vth，Vth称为CCD阈值电压，设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极①下面的势阱最深。如果逐渐将电极②的电压由2V增加到10V，这时，①、②两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极①下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，如图(b)和(c)所示。然后再逐渐将①电极下面的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图中(d)和(e)所示，这时电荷全部转移到电极②下面的势阱中，此过程就是电荷从电极①到电极②的转移过程。如果电极有许多个，可将其电极按照1、4、7…，2、5、8…和3、6、9…的顺序分别连在一起，加上一定时序的驱动脉冲，如图(f)所示，即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD。第70页，共115页，星期日，2025年，2月5日为了更好地传输电荷，要求耗尽层交叠，使邻近电极的表面电势光滑地过渡，为此要求电极紧密地排列，一般铝电极之间的间隙约为2.5?m，给制造工艺带来困难，容易产生电极短路。以上是单层金属化电极结构。目前均采用三相多晶硅交叠栅结构，通过光刻、热氧化、沉积，电极间隙只是氧化层的厚度，只有几百毫?m。二相CCD的电荷转移第71页，共115页，星期日，2025年，2月5日总结：P沟道型CCD原理金属-氧化物-半导体结构（MOS)在外