CCD工作原理详解.ppt

《CCD工作原理详解.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CCD工作原理详解.ppt（77页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、内容CCD工作过程电荷的生成电荷的收集电荷包的转移电荷包的测量CCD与CMOS比较小结参考书1 电荷耦合器件原理与应用王以铭 科学出版社 1987年2 CCD Arrays Cameras and Displays Gerald C. Holst SPIE 1998CCD的工作过程1 前照明光输入前照明光输入1 背照明光输入背照明光输入2 电荷生成电荷生成3 电荷收集电荷收集4 电荷转移电荷转移5 电荷测量电荷测量视频输出视频输出此图摘自 James Janesick “Dueling Detectors”CCD的性能很大程度上是由电荷图像的生成决定的，CCD电荷图像的生成是CCD工作最重要的

2、过程之一。电荷的生成CCD电荷图像的生成过程就是光电转换的过程；CCD电荷图像的生成机理是半导体的光电效应；CCD电荷图像的生成理论是固体物理的能带理论。硅和锗都是金刚石晶格结构半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格:每个原子被四个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键。每个电子对组成一个共价键，组成共价键的电子称为价电子。价电子通常位于价带，不能导电。44444电荷的生成 能带理论复习能量增加价带导带1.12 eV 硅的能级图共价键示意图通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量

3、要超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg1.12eV,砷化镓的Eg1.42eV)。photonphoton空穴 电子电荷的生成 能带理论复习电荷的生成电荷的生成 如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。用公式表示如下:gphEEhchEph其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。 2-12-2电荷的生成电荷的生成 光电效应中有一个临界波长（ ），定义为：当 时，光子没有足够的能量将电子由价带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对于本征(intrinsic)硅有： )(24. 1meVEEhcggceVEg

4、12. 1mc11. 1cc这是CCD长波限制，短波如何？2-3电荷的生成 能带理论复习 电子一旦被激发到导带，它就可以在单晶硅的晶格附近自由运动了。电子离开后所形成的空穴成为一个带正电的载流子。在没有外电场的情况下，这样的一对电子和空穴会在一定时间(复合寿命)内将复合并湮灭。在CCD中，利用一个电场把这些载流子收集起来，防止他们的复合。 如何收集电荷？电荷的生成 有关参数 与CCD电荷生成过程有关的参数是量子效率(QE)和暗电流。影响QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission) 等。影响暗电流的因素主要是温度。电荷的生成电荷的生成

5、理想情况下，电极材料应该是完全透明的，实际上这些材料对光都有一些吸收和反射。如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中1和2所表示的情况。 x： 吸收y ：复合材料的吸收系数和反射率与波长有关，在可见光波段，波长越短吸收系数和反射率越大。图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！CCD短波限制与结构及材料有关厚型前照明 CCD光在表面电极产生反射和吸收，使这种CCD的量子效率比较低，对蓝光的响应非常差。其电极结构不容许采用提高性能的增透膜技术。增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用。n-型硅p-型硅二氧化硅绝缘层多晶硅电极入射光子6

6、25m电荷的生成 降低反射硅片减薄到 15m左右，光线由背面射入，避免了电极对光线的阻挡，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作减反膜，短波响应将得到很大提高。n-型硅p-型硅二氧化硅多晶硅电极减反(AR)膜Incoming photons15m薄型背照明 CCD电荷的生成 降低反射薄型CCD对近红外光线几乎透明，因此长波响应很差。空气或真空的折射率为 1.0， 硅为 3.6。利用上述方程式可以得出 在空气中硅的反射率是 32%。除非采取适当的措施消除这种反射，否则硅CCD只能探测到2/3的入射光子。增透膜可以解决这个问题。硅的折射率(n ns s) )很高 ，很多入射光子会在其表面反射

7、。nins在两种不同折射率物质的界面上光子的反射率为 = ns-nins+ni2电荷的生成 降低反射空气硅加入增透膜以后，有三种介质需要考虑： ns x ni-nt2ns x ni+nt22当 时反射率将降为零！ 满足这个条件材料的折射率为 n nt t = 1.9，幸运的是这种材料是存在的，它就是二氧化铪（Hafnium Dioxide）。 通常天文学所使用的 CCD都用这种材料作为增透膜。 ntns ni2=反射率降为：空气nins增透膜硅nt电荷的生成 降低反射右图是 EEV 42-80 CCD的反射率曲线。这种薄型 CCD 是专为提高蓝光谱响应设计的，其增透膜最佳工作波长为 400nm

8、。在400nm 反射率下降到左右1% 。电荷的生成 降低反射提高量子效率最有效的方法是背照明！电荷的生成电荷的生成 深蓝光(400nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为0.2m见图中的3。 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！电荷的生成电荷的生成 红光(650nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为3.33m，激发出的电子在收集区外生成，复合寿命长，热扩散使这些电子被收集。见图中的5。 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！电荷的生成电荷的生成 CCD硅表面下几个m范围内晶格

9、没有缺欠，也没有氧化物沉积，这个区域内有很高的复合寿命；但是在硅衬底的其他部分(以及表面处)存在着大量的晶体缺欠，因此复合寿命非常低。波长长的光线在衬底中生成电子的位置很深，那里的复合寿命很低，很容易复合.图中6表示的就是这种情况。 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！电荷的生成电荷的生成 红外光 (1250nm)波长超过临界波长，不能激发光电子，见图中的7。 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！电荷的生成电荷的生成 Foveon X3 Sensors电荷的生成电荷的生成 Foveo

10、n X3 SensorsThe Foveon X3 SensorThe Bayer-filter Image Sensor电荷的生成电荷的生成 可以用量子效率计算响应度，响应度的单位是A/W或 。计算公式如下：2/cmJehcARp2/cmJehcqRWA/其中， 是电子电荷， 是量子效率， 是像元有效面积。 qpA2-42-5电荷的生成电荷的生成CCD的量子效率QE是波长的函数TH7834响应曲线电荷的生成电荷的生成各种不同CCD的量子效率的比较思考：CCD的窗口玻璃影响性能吗？为什么？电荷的收集电荷的收集 CCD工作过程的第二步是电荷的收集，是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的

11、过程。为了收集电荷，必须制造一个收集区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集的电荷不被复合。收集区：势阱。 电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器 MOS 电容器是所有MOS(金属-氧化物-半导体) 结构中最简单的，它是CCD的构成基础；弄清楚这种结构的原理对理解CCD的工作原理是非常有用的。 MOS电容器有二种类型：表面沟道和埋沟。 这二种类型MOS电容器的制造只有些微地不同；然而，由于埋沟电容结构具有很多显著的优点，因此这种结构成了CCD制造工艺的首选。事实上今天制造的所有CCD几乎都利用埋沟结构。 电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器二氧化硅电极N型硅P型硅光生电子空穴对耗尽区

12、埋沟电容是在 一个 p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面上形成一个 n-型区(1m厚)； 然后，生长出一层薄的二氧化硅(0.1m厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。qEp电子的势能：q 是电子的电荷量，而为静电势 2-6无偏置时， n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散， p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散； 这个结构与二极管结的结构完全相同。上述的扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。np沿此线的电势示于上图.电势CCD厚度方向的截面图这种埋沟结构的优点是能使光生电荷离开CCD 表面，因为在CCD表面缺欠多，光生电荷会被俘获。

13、这种结构还可以降低热噪声（暗电流）。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器电子势能最小的地方位于n-型区内并与硅 - 二氧化硅 (Si - SiO 2) 的交界面有一定距离 这个势能最小(或电位最高) 的地方就是多余电子聚集的地方。 CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位 。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器电势电势势能势能 CCD曝光时，产生光生电荷，光生电荷在势阱里收集。随着电荷的增加，电势将逐渐变低，势阱被逐渐填满，不再能收集电荷，

14、达到饱和。 势阱能容纳的最多电荷称为满阱电荷数。np电势最大电势区电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器实际的埋沟结构埋沟结构的两边各有一个比较厚(0.5-1.5m)的场氧化物区。该区与高掺杂的 p-型硅一起形成形成沟阻，该区的静电势对栅极的电压和电压变化不敏感，始终保持形成势垒。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器栅极N型埋沟场氧化物沟阻P型衬底耗尽区信号电荷氧化物埋沟结构的MOS电容的主要特点是：能在单一电极之下的一个局部区域内产生势阱；能调整或控制栅极下面的势能；储存电荷的位置 (势能最小处)离 Si- Si02 交界面有一定的距离；低的暗电流使其能够长时间的储存信号电荷 (取决于工作条件

15、可以从数十秒到数小时)；所收集的电荷可以通过光照、电注入等产生；能快速地将电荷从一个电极之下的一个位置转移到下一个邻近的电极下面，而且损失非常低。电荷的收集电荷的收集 MOS 电容器像元边界电荷包p-型硅n-型硅SiO2 绝缘层电极结构像元边界入射的光子 光子入射到CCD中产生电子空穴对， 电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。电荷的收集电荷的收集电荷收集的效率与电势的分布、复合寿命和扩散长度有关。电荷的收集电荷的收集 复合寿命 由光子激发出的电子在重新跃迁回价带(与空穴复合)之前可以在硅晶格内活动的时间是有限的。这个过程的时间常数称为复合寿命，其大小取决

16、于硅的质量和掺杂的浓度。越长，信号电子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。电荷的收集电荷的收集 扩散长度为了使CCD中电子能够通过扩散和漂移到达指定的收集区，可以通过特定的掺杂分布和电场分布设计来达到。这种设计的结果将提高探测器的量子效率。扩散长度表示光生电子复合前移动的平均距离。当电子是在复合寿命很长的区域内生成，但是它必须移动到指定的收集区去时，这个电子是否能够被收集取决于它向制定区域运动的机制。 电荷的转移电荷的转移 CCD工作过程的第三步是电荷包的转移，是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。 下面通过类比说明 CCD 收集、转移和测量电荷的过

17、程。小盆虹吸泵雨水量筒CCD的工作过程类比说明每个小盆接到的雨水数量不同类比中，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。CCD的工作过程类比说明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。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。CCD的工作过程类比说明倒空量筒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

18、测量。图示的状态是一次测量后的状态。CCD的工作过程类比说明又一次测量结束。倒空量筒CCD的工作过程类比说明倒空量筒一行电荷测量结束。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）。CCD的工作过程类比说明 在由一个小盆(像元)将水(电荷包)转移到下一个小盆(像元)的过程中，总是有一些损失。描述这个损失的参数称为电荷转移效率(CTE) ，定义为一次转移中正确转移电荷的百分比。电荷的转移 转移效率mmQQ/1在上述类比中，最远的一个小盆的水转移了6次，如果 0.99，那末这盆水输出时，剩下原来水量的94。如果转移100次

19、，就剩下原来水量的37了。2-7 在串行寄存器中的电极每隔3个连在一起。在串行寄存器的末端是片内放大器串行寄存器 的截面图成 像 区串行移位寄存器成像区下面是串行寄存器(该区内有水平电极)。电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD 一个像元沟阻，定义了图像区的列透明水平电极，在垂直方向上定义了像元，该电极用于转移电荷。每相隔3个的电极通过芯片边缘的总线连接在一起。平面图截面图图示为 CCD成像区的一小部分（几个像元）。图像区中这个图案是重复的。电极绝缘氧化物N-型硅P-型硅电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD三相CCD的电荷包转移过程CCD中实

20、现电荷包转移的实际过程。电荷包的转移是通过变换CCD电极电压来完成的。下列图中，标注红色的电极为高电势，标注黑色的电极为低电势。123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD123时间滑尺+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD123+

21、5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123123当第一个电荷包由右边移出时，下一个电荷包由左边移入。电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD电荷的测量电荷的测量 CCD工作过程的第四步是电荷的测量，是将转移到输出级的电荷转换为电压信号的过程。 ODOSRDRSW输出节点衬底输出FET复位FET相加阱20m输出漏极 (OD)输出源极 (OS)输出管栅极输出节点R复位漏极 (RD)相加阱 (

22、SW)串行寄存器最后的几个电极串行寄存器电极典型 CCD 片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.电荷的测量电荷的测量+5V0V-5V+10V0VRSWVout当电荷包移至串行寄存器的末端时，片内输出节点电容和输出管(放大器)对电荷包进行测量。相加阱起到隔离串行寄存器与输出浮置扩散（FD）的作用。ODOSRDRSW复位FET相加阱串行寄存器的末端Vout电荷的测量电荷的测量测量过程由复位开始。复位会把前一个电荷包的电荷清除掉 。输出节点输出FETODOSRDRSW+5V 0V-5V+10V 0VRSWVoutVout电荷输送到相加阱。 Vout 现在是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电

23、平。输出节点相加阱串行寄存器的末端电荷的测量电荷的测量输出FET复位FETODOSRDRSWVout+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout把电荷输送到输出节点电容， Vout 下降到信号电平。串行寄存器的末端输出节点相加阱电荷的测量电荷的测量输出FET复位FET+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout外部电路对 Vout 进行采样，所采样的Vout 电平与输入电荷包中电荷的多少成正比。ODOSRDRSWVout串行寄存器的末端输出节点相加阱电荷的测量电荷的测量输出FET复位FET电荷的测量电荷的测量为了进行性能分析，利用等效电路说明。现在CCD输出结构中，相加阱被输出栅代替，作用

24、相同。复位FET用开关等效，输出节点电容用电容等效。 该电容的典型值都小于 0.1pF 。 根据 V = Q/C, 这个电容的两端将产生与这个电荷包电荷量成比例的电压，也是某个特定像元入射光强度成比例的电压。Vout = GQm/Cs 2-8电荷的测量电荷的测量 等效电路RDOD节点电容移位寄存器来Cs= 0.1pF一个电子电荷1.6V输出信号：1 复位脉冲过冲2 参考电平3 信号电平G:输出FET增益(10.8)电荷的测量电荷的测量 等效电路CCD信号电平是浮起来的，真正的信号是信号电平与参考电平之差。复位管不是理想开关，存在导通电阻。这个电阻的热噪声在复位时会通过节点电容叠加到信号上输出形

25、成复位噪声。电荷的测量电荷的测量还有输出管的闪烁(1/f)噪声以及输出电阻的热噪声，一起构成CCD读出噪声。在读出噪声中起主要作用的是复位噪声。复位噪声计算：导通电阻热噪声k: 波尔茨曼常数，T:绝对温度，B:带宽CCD 利用单极点模型，B = 1/(4RC)电荷的测量电荷的测量)(4rmsRVkTRBn)(/rmsRVCkTn )(/eqkTCnR噪声电压表示：噪声电子表示：复位噪声又称KTC噪声2-92-10举例说明：复位噪声Cs = 0.1pF, RON = 2k噪声带宽 B = 1.25GHzn nR R = 0.203mV = 0.203mV ，相当于，相当于126126个电子个电子

26、。输出电阻热噪声当B1MHz, RL=2k时n nW W 5.755.75 V V rms电荷的测量电荷的测量)(4rmsLWVBkTRnCCD工作过程与性能 电荷生成量子效率 (QE)、 暗电流 电荷收集满阱电荷数、 均匀性、 扩散 (调制传递函数, MTF) 电荷转移电荷转移效率 (CTE), 电荷测量读出噪声 、 线性度CCD与CMOS比较电荷生产电荷收集电荷转移电荷测量四个过程在一个像元内完成.光电转换电荷收集像元的光敏区像元的光敏区电荷转移垂直和水垂直和水平平CCD水平水平CCD后后放大器放大器电荷-电压转换/放大微型信号线微型信号线电压传递CCD 图像传感器CMOS图像传感器像元内

27、放像元内放大器大器电荷-电压转换/放大CCD与CMOS比较性能CCDCCDCMOSCMOS像元输出电荷包电压芯片输出电压(模拟)数字量噪声低中等填充因子高低暗电流低高均匀性高中等动态范围高中等系统复杂度高低功耗高低垂直模糊较大没有CCD与CMOS比较CMOS的集成度高的集成度高CCD与CMOS比较CMOS的填充因子较低的填充因子较低 CCD CMOSCCD与CMOS比较CMOS CameraCCD与CMOS比较卷帘式快门CMOS引起的畸变 CCD的基本结构非常简单，就是MOS电容。了解MOSMOS电容电容就了解了收集电荷的势阱，了解了隔离电荷包的势垒，了解了供电荷转移的沟道。 CCDCCD的输出结构的输出结构对CCD性能的影响至关重要。通过对输出结构的学习，重点了解CCD输出信号的特殊性和复位噪声的概念。 CMOS图像传感器发展很快,学习本章内容对CMOS的应用也是有用的。小结