CCD的基本原理課件.ppt

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1、CCD原理浙大光電系王欣冉整理QQ:39158405光電器件及系統(tǒng)概述電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,簡稱CCD)是貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的,由于它有光電轉換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關鍵器件,廣泛應用于科學、教育、醫(yī)學、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費領域。光學系統(tǒng)CCD圖像處理一、CCD傳感器的基本原理CCD的最基本單元MOS電容器是構成CCD的最基本單元是，它是金屬—氧化物—半導體（MOS）器件中結構

2、最為簡單的。金屬電極氧化物半導體MOS電容器1、信號電荷的產生CCD工作過程的第一步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換為電荷輸出，依據(jù)的是半導體的內光電效應（也就是光生伏特效應）。信號電荷的產生（示意圖）金屬電極氧化物半導體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOS電容器CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。2、信號電荷的存儲信號電荷的存儲（示意圖）e-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthU

3、GUth時CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。3、信號電荷的傳輸（耦合）一個像素溝阻，定義了圖像區(qū)的列平面圖圖示為CCD成像區(qū)的一小部分（幾個像素）。圖像區(qū)中這個圖案是重復的。①②③三相CCD的電荷轉移過程示意圖電荷包轉移驅動脈沖像元Pn轉移方向像元Pn+1像元Pn+2CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。輸出類型，主要有以下三種：1）電流輸出2）浮置柵放大器輸出3）浮置擴散放大器輸出4、信號電荷的檢測O

4、DOSRDRSW輸出節(jié)點襯底輸出FET復位FET相加阱20mm輸出漏極(OD)輸出源極(OS)輸出管柵極輸出節(jié)點電容R復位漏極(RD)相加阱(SW)串行寄存器最后的幾個電極末級電極典型CCD片內放大器的顯微照片和片內放大器的線路圖.+5V0V-5V+10V0VRSWVoutODOSRDRSW復位FET相加阱串行寄存器的末端Vout測量過程由復位開始，復位會把前一個電荷包的電荷清除掉。輸出節(jié)點輸出FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout電荷輸送到相加阱。此時，Vout是參考電平。在這個期間，外部電路測量參考電平。+5V0V-5V+10V0VRSWV

5、out相加阱將電荷輸送到輸出節(jié)點電容，Vout下降到信號電平。+5V0V-5V+10V0VRSWVout外部電路對Vout進行采樣，所采樣的Vout電平與信號電荷包中的電荷濃度成正比。至此，完成了信號電荷包的測量。CCD的工作過程示意圖背照明光輸入1電荷生成2電荷存儲3電荷轉移復位輸出4電荷檢測半導體CCD傳感器基本原理CCD的MOS結構Ф3P型Si耗盡區(qū)電荷轉移方向Ф1Ф2輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列,其構造如圖39所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s12

6、0nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極）,形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了CCD芯片。當向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內（如圖中Ф1極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。CCD芯片的構造每個光敏元（像素）對應有三個相鄰的轉移柵電極1、2、3,所有電極彼此間離得足夠近,以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉移。所

7、有的1電極相連并施加時鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時鐘脈沖φ2、φ3。這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭。圖40三個時鐘脈沖的時序如何實現(xiàn)電荷定向轉移呢？電荷轉移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉移的過程。見圖P1P1P2P2P3P3tP1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3Ф(b)電荷轉移過程t=t0t=t1t=t2t=t30三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上

8、施加三個相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光