《光電成像器》PPT課件

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1、三個(gè)基本部分：光電變換部分電子光學(xué)部分電光變換部分像管變像管像增強(qiáng)器紫外光像紅外光像微弱光像（微通道板）光敏面熒光屏可見光像（級連）像增強(qiáng)管光電轉(zhuǎn)換信號存儲掃描輸出攝像管7.3電荷耦合器件ChargeCoupledDevice簡稱CCD體積小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性能好，可靠性高，壽命長，······CCD背景介紹W.S.Boyle與G.E.Smith7.3電荷耦合器件ChargeCoupledDevice簡稱CCD體積小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性能好，可靠性高，壽命長，······主要內(nèi)容：一.CC

2、D的結(jié)構(gòu)與工作原理二.CCD的主要特性參數(shù)三.CCD攝像器件CCD電荷存儲電荷轉(zhuǎn)移電荷注入電荷輸出一.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理特點(diǎn)：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移一.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理1CCD的單元結(jié)構(gòu)MOS結(jié)構(gòu)單元－像素由多個(gè)像素組成線陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導(dǎo)體是連續(xù)的在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。1）勢阱的形成當(dāng)柵極施加正電壓UG（此時(shí)UG≤Uth）時(shí)，在電場的作用下，電極下Ｐ型區(qū)域里的多數(shù)載流子空穴被排斥到襯底的底側(cè)，硅表面處留下不能移動(dòng)的帶負(fù)電的粒子，產(chǎn)生耗盡區(qū)。1）勢

3、阱的形成勢阱施加正電壓空穴耗盡區(qū)柵極正向電壓增加時(shí)，勢阱變深。－－改變UG，調(diào)節(jié)勢阱深度1）勢阱的形成1）勢阱的形成UG＞Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層（溝道）。深度耗盡狀態(tài)N型(P溝道）P型(N溝道）UG＞Uth時(shí)，2）電荷的存儲耗盡區(qū)對于帶負(fù)電的電子來講是一個(gè)勢能很低的區(qū)域，若注入電子，電場則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。表面處構(gòu)成了對于電子的“陷阱”，稱之為表面勢阱，勢阱積累電子的容量取決于勢阱的“深度”，而表面勢的大小近似與柵壓VG成正

4、比。MOS電容具有存儲電荷的能力當(dāng)勢阱中填滿了電子,勢阱中的電子不再增加了，便達(dá)到穩(wěn)態(tài)（熱平衡狀態(tài)）。因此信號電荷的儲存必須在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前完成。電子－－被吸入勢阱產(chǎn)生電子－空穴對空穴－－柵極電壓排斥2、信號電荷的注入（光注入、電注入）光注入：產(chǎn)生電子－空穴對勢阱內(nèi)吸收的光電子數(shù)量與入射光勢阱附近的光強(qiáng)成正比。一個(gè)勢阱所吸收集的若干個(gè)光生電荷稱為一個(gè)電荷包。光照射到光敏元上時(shí)，會產(chǎn)光生電子—空穴對，光生電子將被吸入勢阱存儲起來，空穴則被排斥到半導(dǎo)體的底側(cè)。3、電荷包的存儲通常在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏單元，如果

5、在金屬電極上加上正電壓，則在半導(dǎo)體硅片上就形成成千上萬的個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。如果此時(shí)照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會產(chǎn)生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光電荷圖像。4信號電荷包的傳輸1）通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷包由勢阱淺的位置流向勢阱深的位置。2）必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。3）柵極脈沖電壓必須嚴(yán)格滿足位相時(shí)序要求，保證信號轉(zhuǎn)移按確定方向進(jìn)行。CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移：將電荷包從一個(gè)勢阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢阱。基本思想：－－調(diào)節(jié)勢阱深

6、度－－利用勢阱耦合定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每—位中對應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。一位CCD中含的電容個(gè)數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個(gè)數(shù)一般來說即為CCD的位數(shù)。定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。φ1φ2當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)移。MOS上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)相位差120°時(shí)鐘脈

7、沖驅(qū)動(dòng)。三相CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移過程：t1時(shí)刻，Φ1為高電平，Φ2Φ3為低電平，1電極下形成深勢阱，儲存電荷形成電荷包t2-t3時(shí)刻，Φ1電壓線性減小，1電極下勢阱變淺，Φ2為高電平，2電極下形成深勢阱，信號電荷從1電極向2電極轉(zhuǎn)移，直到t3時(shí)刻，信號電荷全部轉(zhuǎn)到2電極下。重復(fù)上述過程，信息電荷從2電極轉(zhuǎn)移到3電極，到t5時(shí)刻，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到3電極下。經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期，信號電荷包向右轉(zhuǎn)移一級，t6時(shí)刻信號電荷全部轉(zhuǎn)移4電極下。依次類推，信號電荷依次由1，2，3，4…..N向右轉(zhuǎn)移直至輸出移位寄存器4信號電荷包的輸出襯底P和N+

8、區(qū)構(gòu)成輸出二極管（反偏壓）二極管輸出方式：復(fù)位脈沖RS10－>2V5V4信號電荷包的輸出二極管輸出方式：襯底P和N+區(qū)構(gòu)成輸出二極管（反偏壓）CCD電荷存儲電荷轉(zhuǎn)移電荷注入電荷輸出CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理特點(diǎn)：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移