ccd工作原理教學(xué)ppt課件

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1、CCD成像技術(shù)及其在遙感中的應(yīng)用第二章CCD工作原理郝志航內(nèi)容CCD工作過程電荷的生成電荷的收集電荷包的轉(zhuǎn)移電荷包的測量CCD與CMOS比較小結(jié)參考書1《電荷耦合器件原理與應(yīng)用》王以銘科學(xué)出版社1987年2《CCDArraysCamerasandDisplays》GeraldC.HolstSPIE1998CCD的工作過程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷收集4電荷轉(zhuǎn)移5電荷測量視頻輸出此圖摘自JamesJanesick“DuelingDetectors”CCD的性能很大程度上是由電荷圖像的生成決定

2、的，CCD電荷圖像的生成是CCD工作最重要的過程之一。電荷的生成CCD電荷圖像的生成過程就是光電轉(zhuǎn)換的過程；CCD電荷圖像的生成機(jī)理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)；CCD電荷圖像的生成理論是固體物理的能帶理論。硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)屬于金剛石晶格:每個(gè)原子被四個(gè)最鄰近的原子所包圍。每個(gè)原子在外圍軌道有四個(gè)電子，分別與周圍4個(gè)原子共用4對電子。這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵。每個(gè)電子對組成一個(gè)共價(jià)鍵，組成共價(jià)鍵的電子稱為價(jià)電子。價(jià)電子通常位于價(jià)帶，不能導(dǎo)電。＋4＋4＋4＋4＋4電荷的生成能帶理

3、論復(fù)習(xí)能量增加價(jià)帶導(dǎo)帶1.12eV硅的能級圖共價(jià)鍵示意圖通過加熱或光照，處于價(jià)帶的電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶。把電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量要超過價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV,砷化鎵的Eg＝1.42eV)。photonphoton空穴電子電荷的生成能帶理論復(fù)習(xí)電荷的生成如果一個(gè)入射光子的能量(Eph)大于或等于這種材料導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的能隙(Eg)，就可以把一個(gè)電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為自由電子。用公式表示如下:其中h為普朗克常數(shù)，為頻率，為波長，c是光速。2-12-2電荷的生成光電效應(yīng)中有一個(gè)臨界

4、波長（），定義為：當(dāng)時(shí)，光子沒有足夠的能量將電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶。這時(shí)光子只是穿過這個(gè)材料。對于本征(intrinsic)硅有：這是CCD長波限制，短波如何？2-3電荷的生成能帶理論復(fù)習(xí)電子一旦被激發(fā)到導(dǎo)帶，它就可以在單晶硅的晶格附近自由運(yùn)動了。電子離開后所形成的空穴成為一個(gè)帶正電的載流子。在沒有外電場的情況下，這樣的一對電子和空穴會在一定時(shí)間(復(fù)合壽命)內(nèi)將復(fù)合并湮滅。在CCD中，利用一個(gè)電場把這些載流子收集起來，防止他們的復(fù)合。如何收集電荷？電荷的生成有關(guān)參數(shù)與CCD電荷生成過程有關(guān)的參數(shù)是量子效率(Q

5、E)和暗電流。影響QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission)等。影響暗電流的因素主要是溫度。電荷的生成理想情況下，電極材料應(yīng)該是完全透明的，實(shí)際上這些材料對光都有一些吸收和反射。如多晶硅電極對短波光有較強(qiáng)的吸收和反射，減少了最終到達(dá)硅片的光子數(shù)量，如圖中λ1和λ2所表示的情況。x：吸收y：復(fù)合材料的吸收系數(shù)和反射率與波長有關(guān)，在可見光波段，波長越短吸收系數(shù)和反射率越大。圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜！CCD短波限制與結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)厚型前照明C

6、CD光在表面電極產(chǎn)生反射和吸收，使這種CCD的量子效率比較低，對藍(lán)光的響應(yīng)非常差。其電極結(jié)構(gòu)不容許采用提高性能的增透膜技術(shù)。增透膜技術(shù)在薄型背照明CCD可以采用。n-型硅p-型硅二氧化硅絕緣層多晶硅電極入射光子625mm電荷的生成降低反射硅片減薄到15?m左右，光線由背面射入，避免了電極對光線的阻擋，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作減反膜，短波響應(yīng)將得到很大提高。n-型硅p-型硅二氧化硅多晶硅電極減反(AR)膜Incomingphotons15mm薄型背照明CCD電荷的生成降低反射薄型CCD對近

7、紅外光線幾乎透明，因此長波響應(yīng)很差?？諝饣蛘婵盏恼凵渎蕿?.0，硅為3.6。利用上述方程式可以得出在空氣中硅的反射率是32%。除非采取適當(dāng)?shù)拇胧┫@種反射，否則硅CCD只能探測到2/3的入射光子。增透膜可以解決這個(gè)問題。硅的折射率(ns)很高，很多入射光子會在其表面反射。nins在兩種不同折射率物質(zhì)的界面上光子的反射率為=[]ns-nins+ni2電荷的生成降低反射空氣硅加入增透膜以后，有三種介質(zhì)需要考慮：[]nsxni-nt2nsxni+nt22當(dāng)時(shí)反射率將降為零！滿足這個(gè)條件材料的折射率為nt=1.9

8、，幸運(yùn)的是這種材料是存在的，它就是二氧化鉿（HafniumDioxide）。通常天文學(xué)所使用的CCD都用這種材料作為增透膜。ntnsni2=反射率降為：空氣nins增透膜硅nt電荷的生成降低反射右圖是EEV42-80CCD的反射率曲線。這種薄型CCD是專為提高藍(lán)光譜響應(yīng)設(shè)計(jì)的，其增透膜最佳工作波長為400nm。在400nm反射率下降到左右1%。電荷的生成降低反射提高量子效率最有效的方法是背照明！電荷的生成深藍(lán)光(