1、第第3 3章章 電荷耦合器件電荷耦合器件Charge Coupled DeviceCCD 新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器 第一節第一節 CCD的物理基礎的物理基礎電荷耦合器件電荷耦合器件 電荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定規律排列的 MOS電容器陣列組成的移位寄存器，在MOS電容器陣列加上輸入、輸出端，便構成了CCD。p-SiVGSiO2金屬金屬1200-1500A可以實現可以實現光電轉換、信號儲存、轉移光電轉換、信號儲存、轉移(傳輸傳輸)、輸、輸出、處理出、處理以及電子快門等一系列功能。以及電子快門等一系列功能。新型智能傳感器電荷

2、耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件具有以下一些特點：具有以下一些特點：u一般特性：一般特性：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長。壽命長。u分辨率高：分辨率高：線陣線陣7000Pixel、分辨能力、分辨能力7 m，面陣，面陣40964096，整機分辨能力，整機分辨能力1000線以上。線以上。u兼容性：兼容性：任選模擬、數字輸出形式，與同步信號、任選模擬、數字輸出形式，與同步信號、I/O接口及微機兼容，組成高性能系統。接口及微機兼容，組成高性能系統。u光電特性：光電特性：靈敏度高、動態范圍大。靈敏度靈敏度高、動態范圍大。靈敏度0.01

3、Lx，動態范圍，動態范圍106：1，信噪比，信噪比6070dB。u分類：分類：線陣和面陣器件。線陣和面陣器件。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 一、穩態情況穩態情況MOS結構的物理性質結構的物理性質新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件p-SiVGp-SiVGVG = 0新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 1.1.多數載流子堆積狀況多數載流子堆積狀況多數載流子堆積狀態1、VG0。金屬電極上加負電壓。金屬電極上加負電壓2、半導體表面的表面勢、半導體表面的表面勢VS 03、排斥電子、吸引空穴排斥電子、吸引空穴4、近表面處的空穴濃度增大。、近表面處的空

4、穴濃度增大。VG Vth就使 MOS結構形成強反型狀態，實際中 ，還應考慮到所謂“平帶電壓”的存在。)ln(41)ln(20iAAsoxiAnNkTNCnNqkT)ln(410iAAsoxOXnNkTNCV-表面出現反型狀態時對應的外加柵壓VG以Vth表示.p-SiVGVSvox其中：VS = VG - Vox閾值電壓：閾值電壓：Vth = VS + Vox新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件二、非穩態情況二、非穩態情況MOS結構的物理性質結構的物理性質u動態過程動態過程：施加柵壓的瞬間，半導體表面的空穴被排斥而形成耗盡區。反型層中電子來源主要是耗盡區內熱激發的電子空穴對的電子。 u從非平衡

5、態的建立開始到達熱平衡狀態（即穩態）需要一定的時間-存貯時間T。 新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件u達熱平衡之前，MOS結構中是空的電子勢阱。從表面一直到體內較深處（稱深耗盡）。u如果用信號電子QS注入勢阱，勢阱變淺；當表面勢VS下降至兩倍費 米電勢時，勢阱“充滿”，不再能吸納信號電子。u非穩態時，VS大，勢阱深。勢阱所能容納的最大電荷量近似為：QS = CoxVGAd02iAnNT 0：耗盡區少子壽命；：耗盡區少子壽命；ni：本征載流子濃度；：本征載流子濃度；NA：受主濃度：受主濃度新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件第二節第二節 CCDCCD的工作原理的工作原理1、采用單層單電極，

6、勢阱對稱。時鐘脈沖控制電荷傳輸方向，防止電荷倒流。一、一、CCD的電極結構的電極結構 若干電極為一組構成一“位”。每位有有獨立的驅動時序，稱作“相”。電極結構分為二相、三相、四相三類。2、為使電荷傳輸，采用交疊電極結構. 三相電極結構三相電極結構：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 2、這種二相電極結構減少時鐘脈沖相數，電路相對簡單。電路相對簡單。二相電極結構二相電極結構： 氧化層厚度大或摻雜濃度高的地方勢阱淺淺， 氧化層厚度薄或摻雜濃度低的地方勢阱深深。1、施加電壓后，形成不對稱的勢阱，新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件二、二、CCD的電荷轉移的電荷轉移 1、三相、三相CCD的電荷轉

7、移的電荷轉移新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 2、二相、二相CCD的電荷轉移的電荷轉移新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 三、信號輸出方式三、信號輸出方式1. 電流輸出方式：電流輸出方式：2）電荷包進入3下后 3從高變低從高變低 ，VOG升高（同時提升了二極管的反向偏壓），形成反向電流反向電流，通過負載電阻流入體外放大器。1）構成構成：輸出柵OG、輸出反向二極管、片外放大器。-+VBLPFC3）電荷轉移到輸出擴散結本質上是無噪聲無噪聲的。4）輸出線性與輸出二極管結電容大小有關，輸出信噪比取決于體外放大器。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2. 電壓輸出方式電壓輸出方式：在體外集成

8、復位管T1和放大管T2。式中，CFD為浮置擴散節點上的總電容。voutT2voutT1rVcc浮置擴散放大器浮置擴散放大器:原理原理:2）當信號電荷到來時，T1截止，信號電荷控制T2的柵極電位： Vout = Qs / CFD1）在3下的勢阱形成之前加r，把浮置擴散區上一周期的剩余電荷通過T2的溝道抽走。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件四四、CCD的特性參數的特性參數沒有被轉移Q（=Q1-Q0）與原有Q0之比值，稱作轉移損失率轉移損失率 。1)、定義：當前電極下Q1與上一電極Q0的比值，稱作轉移效率轉移效率 。 3）、在輸出端獲得的放大了的信號電壓為：LmLmoutoutRgRgVV1/

9、式中，gm為T1柵極與源極之間的跨導。所有的單元做在同一襯底上，抗噪聲性能比電流輸出好。所有的單元做在同一襯底上，抗噪聲性能比電流輸出好。1.電荷轉移效率及電荷轉移損失率電荷轉移效率及電荷轉移損失率新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2)、計算式：Qn / Q0 = n = ( )n e -n結論：結論： 如果轉移 n個電極后，所剩下的信號電荷量為Qn，那么，總轉移效率為： 如果總轉移效率太低， CCD器件就失去實用價值。因為，如果一定，那么器件的位數就受到限制。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2）計算式：N / f L （or） f L N / （相數 N = 2、3、4）2.工作頻

10、率工作頻率 f太高，會降低總轉移效率，同樣降低了信噪比。CCD器件的工作頻率應選擇在器件的工作頻率應選擇在fL 和和fh 之間。之間。1）定義： 信號電荷從一個電極轉移到另一個電極的頻率 f，包括上限頻率及下限頻率。f 太低，熱激發的少子過多填入勢阱，降低輸出信號的信噪比。Th / 3=1/(3 f h ) tm （or） fh (3 tm)-1 （相數 N = 2、3、4）工作頻率的上限fh：工作頻率下限f L ：結論結論：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 2）計算式：計算式： Nmax= Cox VG Ad / q = V G 0 s Ad2 / dq一定柵極電壓作用下，勢阱中能容納

11、的最大電荷量可以近似地當作電容對電荷的存儲來分析Qs = Cox VG Ad式中，VG 為時鐘脈沖變化幅值；Cox為SiO2層的電容；Ad為柵電極面積。如果SiO2氧化層的厚度為d，則勢阱中最大電荷貯存容量為：1）定義：）定義：3.電荷貯存容量電荷貯存容量新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件設電極下氧化層厚度 d1500nm， VG10V，s =3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。計算得Nmax =7106 ，可容納1000 Lx 的光照射2ns所產生的載流子3）舉例：）舉例：舉例舉例新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 入射在CCD象元上的單位能流密

12、度所產生的輸出電壓Vs的大小，用SV表示。LmLmFDSSVRgRgCQVS114.靈敏度靈敏度2）計算式：計算式：1）定義：）定義：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件1）定義：）定義： 在一定的測試條件下， CCD能傳感的景物光學信息的最小空間分布，用Tx表示。5.分辨率分辨率2）計算式：計算式： 設CCD像元精密排列，象素中心間距t，則器件的極限分辨率 Tx = 2t新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件光譜響應隨光波長的變化而變化的關系稱為光譜響應隨光波長的變化而變化的關系稱為光譜響應函數光譜響應函數6.光譜響應光譜響應2）光譜響應率由）光譜響應率由器件光敏區器件光敏區材料決定。材料

13、決定。1）定義：）定義： 指器件在相同光能量照射下，輸出的電壓Vs與光波長之間的關系。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件第三節第三節 CCDCCD器件器件一、典型的一、典型的CCD結構結構1.單溝道線陣單溝道線陣CCD結構結構移位寄存移位寄存器器CCD轉移柵轉移柵光柵光柵光敏元光敏元輸出輸出新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件2.雙溝道線陣雙溝道線陣CCD結構結構新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件3.幀轉移面陣幀轉移面陣CCD結構結構攝像器件攝像器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件4.行間轉移行間轉移CCD結構結構新型智能傳感器電荷耦合器件

14、電荷耦合器件二、典型的二、典型的CCD器件及其驅動器件及其驅動TCD142D型CCD性能參數：性能參數：1、象素(象元)：2048位線陣2、相數：二相新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 3、像元尺寸： 14m，光敏陣列總長28672m 4、引腳： 1A 、2A 、1B 、2B均為時鐘端、SH為移動柵、 RS 為復位柵,OS為移動柵、DOS為補償輸出端、OD為電源端、 SS為接地端、NC空閑。 5、像元結構： 2110個光敏像元陣列,62個啞元（前51個、后 11個)雙溝道。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件1、SH為同步脈沖，B時段，光敏區與移位寄

15、存器之間的勢阱溝通，信號電荷轉移至l 電極下。2、C時段，隔離光敏區與移位寄存器之間的勢阱溝通。3、隨后，l 與2交替變化，信號電荷順序轉移，經由OS引腳輸出。4、輸出：12個虛設脈沖（結構上的原因） 51個暗電流脈沖 2048個信號脈沖 11個暗電流脈沖（共12+51+2048+11=2122個脈沖） 多余無信號脈沖。5、該器件是兩列并行傳輸，在一個SH 周期中至少要有1061個1脈沖，即TSH1061T1。6、 RS復位一次輸出一個光電信號。 DOS端是補償輸出單元的輸出端，用于檢取驅動脈沖 對輸出電路的容性干擾信號，若將OS和 DOS分別送到差分放大器的兩個輸入端，則在輸出端將得到被放大

16、的沒有驅動脈沖干擾的光電信號。新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件TCD142D驅動電路驅動電路TCD142D驅動電路新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件第四節第四節 CCD在測量中的應用在測量中的應用一、尺寸測量一、尺寸測量測量精度 外徑：0.1mm 壁厚：0.05mm設計思想設計指標設計指標玻璃管平均外徑：12mm 壁厚：1.2mm新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件則： d1 = n1t / d2 = n2t / D = Nt / 光學參數計算光學參數計算設：設：象元尺寸：t上壁厚：d1 ，脈沖數n1下壁厚： d2 ，脈沖數n2外徑尺寸：D，脈沖數N玻璃管的像大小為：玻璃管的像大小

17、為：9.6mm物鏡放大率：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件 選擇遠心光路的放大率為0.8倍，則：玻璃管的像大小為：9.6mm 外徑及壁厚測量精度要求反應在像面上為：0.08mm及0.04mm 根據CCD測量靈敏度的需要，0.04mm要大于2個 CCD光敏像素的空間尺寸，選擇TCD132D（光敏區長102414m=14.336mm）。注意：注意：新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件二、位移測量二、位移測量設計思想設計思想（）設計指標：設計指標：最大電動程：3mm最小微位移：0.004mm測量儀器設計確定：測量范圍：03.5mm靈敏度：0.003mm測量誤差：0.1非接觸在線測量非接觸在線測量新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件式中：N為M1M2之間的象素數量。L = (LBa - LBa) + 0.5 (Wab - Wab)L = (NL - NL) + 0.5 (NW - NW) 分析分析設：放大系數設：放大系數 CCD面上光強凹陷移動L，則：頂桿的電動程x = L / 又設CCD單元象素寬度為t, 則： L = Nt新型智能傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件計數電路計數電路 以以 SH為標志，為標志， SH出現起延時固定時間，由計算機輸出出現起延時固