1、8-3 電荷耦合器件CCD背景知識： 人們獲取的信息量的絕大部分都是通過視覺器官得到的，為此獲得性能良好的圖像傳感器一直是人們的追求，早期的非固態(tài)圖像傳感器-電子束攝像管與后來的固態(tài)圖像傳感器相比，有工作電壓高，功耗大，壽命短，笨重等眾多缺點。而固態(tài)圖像傳感器的開發(fā)直到集成電路出現(xiàn)后才開始，而怎樣將光照到半導(dǎo)體產(chǎn)生的電信號，正確有效取出是圖像傳感器固態(tài)化最大的問題。第8章 固態(tài)傳感器18-3 電荷耦合器件CCD背景知識： 1969年，為了改進(jìn)存儲技術(shù)，美國貝爾實驗室的維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）將可視電話和半導(dǎo)體泡存儲技術(shù)結(jié)合，設(shè)

2、計了可以沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鲗?dǎo)電荷的“電荷泡器件”（Charge “Bubble” Devices），率先發(fā)明了CCD （Charge Coupled Device，電荷耦合件），并在次年以 “Charge Coupled Semiconductor Devices”為題發(fā)表論文，元件本身開始是被當(dāng)作單純的存儲器使用 。由于它能存儲并傳輸信號電荷，隨后人們認(rèn)識到，CCD還可以利用內(nèi)光電效應(yīng)來拍攝并存儲圖象，具備圖像傳感器的功能。第8章 固態(tài)傳感器28-3 電荷耦合器件CCD背景知識： 經(jīng)過人們30多年的研究與開發(fā)，CCD在像素集成度、分辨力、靈敏度，工作速度等指標(biāo)上取得突破性進(jìn)展，其應(yīng)用正從一維、二

3、維向三維發(fā)展，其光波范圍從紫外區(qū)到紅外區(qū)，目前CCD已成為光子探測及視頻采集領(lǐng)域最重要的技術(shù)，已被普遍認(rèn)為是20世紀(jì)70年代以來出現(xiàn)的最重要的半導(dǎo)體器件之一，得到了廣泛應(yīng)用。 第8章 固態(tài)傳感器38-3 電荷耦合器件電荷耦合器件(Charge-Coupled Device (簡稱CCD)）說明：CCD并不是一種新發(fā)明的器件，是MOS電容器的一種新的用法。在適當(dāng)次序的時鐘控制下，CCD能夠使電荷量有控制地穿過半導(dǎo)體的襯底而實現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)換。CCD主要功能：信息處理和信息存儲器件固態(tài)圖像傳感 有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽

4、命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點。 被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。第8章 固態(tài)傳感器4MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件1 CCD器件結(jié)構(gòu) CCD是由一系列排得很緊密的MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器組成。5彩色CCD顯微照片（放大7000倍）第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件1 CCD器件結(jié)構(gòu) CCD是由一系列排得很緊密的MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器組成。61 CCD器件結(jié)構(gòu) 它是以電荷作為信號，通過電

5、荷的存儲和轉(zhuǎn)移，來實現(xiàn)信號的存儲和轉(zhuǎn)移，這是它的突出特點。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。以下分別說明。 作為CCD的基本單元MOS電容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在硅片上通過氧化生成一層SiO2為絕緣層(0.1m)，再蒸鍍一層小面積金屬作為電極，稱柵極，半導(dǎo)體硅(以P型硅為例）作為底電極，又稱襯底。(電容器間隔1m) 圖1 MOS電容器結(jié)構(gòu)示意圖第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件7 半導(dǎo)體物理學(xué)知識告訴我們，熱或光的激發(fā)可在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，故半導(dǎo)體載流子有帶負(fù)電荷的電子，也有帶正電荷的空穴。P型半導(dǎo)體里空穴濃度高，為多數(shù)載流子，電子濃度少，為少數(shù)載流子

6、，N型半導(dǎo)體則相反。 當(dāng)外界有光信號射入到MOS電容器的P型半導(dǎo)體內(nèi)時，會產(chǎn)生電子-空穴對，光越強(qiáng)，電子-空穴對越多，這樣光的強(qiáng)弱就與電子-空穴對的數(shù)量對應(yīng)起來，信號電荷產(chǎn)生了，光信號就轉(zhuǎn)換為電信號。2 信號電荷的產(chǎn)生第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件8外加電壓條件 VG =0：如果在MOS柵極G上施加VG=0時，P型半導(dǎo)體從體內(nèi)到表面處是電中性的（忽略氧化層中電荷及界面態(tài)電荷）。圖2 柵極電壓為0V2 信號電荷的存儲8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器9外加電壓條件 0VG VT：如果在MOS柵極G上施加正電壓VG，當(dāng)VG較小時（0VGVT如果在MOS柵極G上施加足夠大的正電壓VG （

7、VG VT )，由此產(chǎn)生的半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢（稱為表面勢）很高，多數(shù)載流子空穴被排斥到襯底的底側(cè)。此時若周圍有電子（光生激發(fā)），將被吸引到表面處，稱此種狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)（熱非平衡狀態(tài)）。可以形象地說：表面處構(gòu)成了對于電子的“陷阱”，稱之為勢阱, VG 越大，表面勢越大，勢阱越深。這樣信號電子將被吸入勢阱形成了電荷包存儲起來，空穴則被排斥到半導(dǎo)體的底側(cè)，即使光照停止，一定時間內(nèi)也不會損失，光信息就這樣被記錄下來了。圖2 柵極電壓小于閥值電壓2 信號電荷的存儲8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器11必須注意的問題 熱激發(fā)也會產(chǎn)生電子空穴對，其產(chǎn)生電子也會吸引到勢阱中，當(dāng)表面處電子（少數(shù)載流子

8、）濃度超過了空穴濃度(多數(shù)載流子）時，即此處半導(dǎo)體由P型變?yōu)镹型，形成一層反型層，此時 ,如圖所示，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。圖3 柵極電壓大于閥值電壓2 信號電荷的存儲8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器122 信號電荷的存儲8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器uG10V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢阱填充1/3勢阱全滿勢阱MOS電容存儲信號電荷的容量為：Q=CoxUGA133 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸 如前所述加在MOS電容器上的電壓VG愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深，在一定電壓下，勢阱深度隨著其

9、中信號電荷量的增加而線性的下降。利用這個特性，通過控制CCD相鄰MOS電容器柵極電壓的高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺，使信號電荷從勢阱淺的地方流向相鄰的深勢阱處，這樣便實現(xiàn)了信號電荷的轉(zhuǎn)移， 故CCD這部分又稱為動態(tài)移位寄存器的作用。（信號電荷的轉(zhuǎn)移過程也是在熱非平衡態(tài)下進(jìn)行的。因此CCD信號的存儲和傳輸都必須在達(dá)到熱平衡態(tài)之前進(jìn)行，CCD是非平衡光電傳感器件。為避免光照影響，CCD的移位寄存器表面上覆蓋了不透光的金屬。 ）8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器143 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸 CCD的基本功能是具有存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷的能力，故又稱它為動態(tài)移位寄存器。實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移條件：首先，為了實現(xiàn)信號電荷

10、的轉(zhuǎn)換，首先必須使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。通常相鄰MOS電容電極間隙必須小于3m，甚至小至0.2 m以下。其次，根據(jù)加在MOS電容上的電壓越高，產(chǎn)生的勢阱越深的原理，通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。第三，在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。8-3 電荷耦合器件第8章 固態(tài)傳感器15第8章 固態(tài)傳感器在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移（右移）條件： 在MOS陣列上所加的各路電壓脈沖即時鐘脈沖，必須嚴(yán)格滿足相位要求，使得任何時刻勢阱的變化總是朝著一個方向。例如，電荷是向右轉(zhuǎn)移，則任何時刻，當(dāng)存有信號的

11、勢阱抬起時，在它右邊的勢阱總比它左邊的深，這樣，就保證了電荷始終朝右邊轉(zhuǎn)移。3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件16第8章 固態(tài)傳感器涉及概念：位，相線，位數(shù)“位”的含義：為了實現(xiàn)這種定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰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； “相線”的含義：將每一位中對應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同的電極上，此共同電極稱為相線。舉例：把MOS線列電容劃分成相鄰三個MOS為一單元，其中第1、4、7電容的柵極連接在同一根相線上，第2、5、8連接到第二個共同相線，第3、6、9則連接到第三個共同相線。 一位CCD中含的電容個數(shù)=CCD的相數(shù)=CC

12、D的位數(shù)3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件17第8章 固態(tài)傳感器通常CCD結(jié)構(gòu)：二相、三相、四相時鐘脈沖：二相、三相、四相。二相脈沖：兩種脈沖相位相差180；三相/四相脈沖：120及90。 當(dāng)這種時序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時，將實現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)移3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件18第8章 固態(tài)傳感器3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件二相CCD的結(jié)構(gòu)二相CCD的一位里只有二個電容器，其陣列電容分為二組，1、3、5；2、4、6分別連在不同相線上，兩路電壓脈沖相位差為180。為保證信號電荷不倒流，必須使勢阱不對稱，二相CCD采用了不對稱的電極結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)勢阱

13、的不對稱性，以臺階氧化層二相結(jié)構(gòu)為例，如圖，每一電極分成兩部分，其左邊部分電極下的氧化層比右邊厚,這樣在同一電壓下，左邊電極下的勢阱比右邊圖4 臺階氧化層二相CCD結(jié)構(gòu)淺，自動起到阻擋信號電荷倒流的作用。19第8章 固態(tài)傳感器3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件二相CCD如圖所示t=t1時，1相高電壓，2相低電壓，電極1、3、5下形成勢阱，可以存儲信號電荷形成的電荷包。圖 二相CCD電荷轉(zhuǎn)移原理圖20第8章 固態(tài)傳感器3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件二相CCD如圖所示t=t2時1 相電壓線性2 相電壓線性1、2下的勢阱有相同的深度，1下勢阱中的信號電荷準(zhǔn)備向2勢阱擴(kuò)散。圖

14、二相CCD電荷轉(zhuǎn)移原理圖21第8章 固態(tài)傳感器3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件二相CCD如圖所示t=t3時1相低電壓2相高電壓信號電荷已全部從1下勢阱轉(zhuǎn)移到2下的勢阱中。圖 二相CCD電荷轉(zhuǎn)移原理圖22第8章 固態(tài)傳感器3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件二相CCD的結(jié)構(gòu)重復(fù)上述類似過程，信號電荷將從2 下的勢阱轉(zhuǎn)移到下一個1下的勢阱中，即從第2、第4個勢阱第3、第5個勢阱中。圖 二相CCD電荷轉(zhuǎn)移原理圖t423第8章 固態(tài)傳感器3 信號電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸8-3 電荷耦合器件二相CCD的結(jié)構(gòu)當(dāng)整個二相電壓脈沖循環(huán)一次時，電荷包向右前進(jìn)了一位；如此循環(huán)下去，信號電荷就從左到右傳

15、輸，最后到達(dá)輸出端。圖 二相CCD電荷轉(zhuǎn)移原理圖t424第8章 固態(tài)傳感器CCD輸出部分的任務(wù)：將CCD中信號電荷無破壞地收集和檢測出來。信號電荷的檢測方式：電流輸出方式和電壓輸出方式。舉例：浮置擴(kuò)散放大器電壓輸出方式為例作一介紹。4 信號電荷的檢測8-3 電荷耦合器件25第8章 固態(tài)傳感器 如圖所示，為浮置擴(kuò)散放大器輸出結(jié)構(gòu)簡圖，它主要由CCD末端的輸出柵OG、輸出二極管、以及集成在同一芯片上的復(fù)位場效應(yīng)管T1、放大場效應(yīng)管T2 組成，C是A點的等效電容，由A處結(jié)電容、寄生電容, T2極間電容構(gòu)成。4 信號電荷的檢測8-3 電荷耦合器件舉例：浮置擴(kuò)散放大器電壓輸出方式26第8章 固態(tài)傳感器

16、當(dāng)信號電荷形成的電荷包經(jīng)CCD傳輸?shù)捷敵龆藭r，通過輸出柵OG轉(zhuǎn)移輸出二極管的N型區(qū)域(又稱為浮置擴(kuò)散層)，放大場效應(yīng)管T2的柵極信號電壓由浮置擴(kuò)散層收集到的信號電荷Q提供，其放大的輸出信號電壓隨信號電荷變化(Vout=F(Q)。當(dāng)信號電壓讀出后，復(fù)位管T1柵極上加上復(fù)位脈沖R，VRD 是其漏極直流偏壓, 此時T1管導(dǎo)通，將信號電荷抽走，浮置擴(kuò)散層復(fù)位，以便接受下一個電荷包的到來。4 信號電荷的檢測舉例：浮置擴(kuò)散放大器電壓輸出方式8-3 電荷耦合器件275、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 為了全面評價CCD圖像器件的性能及應(yīng)用的需要，制定了下列特性參數(shù)：轉(zhuǎn)移效率、不均勻度、暗電流、響應(yīng)率、光譜響應(yīng)、

17、噪聲、動態(tài)范圍及線性度、調(diào)制傳遞函數(shù)、功耗及分辨能力等。不同的應(yīng)用場合，對特性參數(shù)的要求也各不相同。現(xiàn)把主要特性參數(shù)分述如下。第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件28第8章 固態(tài)傳感器5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.1轉(zhuǎn)移效率 CCD中電荷包從一個勢阱轉(zhuǎn)移到另一個勢阱時會產(chǎn)生損耗。假設(shè)原始電荷量為Q0，在一次轉(zhuǎn)移中，有Q1的電荷正確轉(zhuǎn)移到下一個勢阱，則轉(zhuǎn)移效率定義為 (8-50)轉(zhuǎn)移損耗(或稱失效率)為 =1- (8-51) 當(dāng)信號電荷轉(zhuǎn)移N個電極后的電荷量為QN時，則總效率為 (8-52) 8-3 電荷耦合器件29第8章 固態(tài)傳感器轉(zhuǎn)移效率對CCD的各種應(yīng)用都十分重要。假設(shè)轉(zhuǎn)移效率為9

18、9%，則經(jīng)過100個電極傳遞后，將僅剩下37%的電荷。（即： =99%，100=37%）而在實際的CCD應(yīng)用中：（ =99.999%，1000=99.0%）8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.1 轉(zhuǎn)移效率30第8章 固態(tài)傳感器轉(zhuǎn)移效率與表面態(tài)有關(guān):表面溝道CCD:信號電荷沿表面?zhèn)鬏敚芙缑鎽B(tài)的俘獲，轉(zhuǎn)移效率最高只能達(dá)99.99%。體內(nèi)溝道CCD:信號電荷沿體內(nèi)傳輸，避開了界面態(tài)影響，最高轉(zhuǎn)移效率可達(dá)99.999%，甚至99.999 9%。“胖零”: 為了減小俘獲損耗，CCD可以采用所謂“胖零”的工作方式，即在信號外注入一定的背景電荷，讓它填充陷阱能級，以減小信號電荷的轉(zhuǎn)移損

19、失。一般“胖零”背景電荷為滿阱電荷的10%15%時可獲得較好的效果。第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.1 轉(zhuǎn)移效率31第8章 固態(tài)傳感器注意：轉(zhuǎn)移損失并不是部分信號電荷的消失，而是損失的那部分信號電荷在時間上的滯后。因此，轉(zhuǎn)移損失所帶來的后果，不僅僅是信號的衰減，更有害的是滯后的那部分電荷，疊加到后面的信號電荷包中，引起信號的失真。8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.1 轉(zhuǎn)移效率32第8章 固態(tài)傳感器 CCD圖像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱為暗電流。 暗電流的根本起因在于半導(dǎo)體的熱激發(fā)。首先是由于耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生復(fù)合中心的

20、熱激發(fā)；其次是耗盡區(qū)邊緣的少數(shù)載流子(電子)熱擴(kuò)散。 由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。所以，通常以平均暗電流密度來表征暗電流大小。一般CCD的平均暗電流密度為每平方厘米幾到幾十納安。8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.2暗電流33第8章 固態(tài)傳感器 暗電流的產(chǎn)生需要一定的時間，勢阱存在時間越長，暗電流也越大。為了減小暗電流，應(yīng)盡量縮短信號電荷的儲存與轉(zhuǎn)移時間。因此，暗電流的存在，限制了CCD驅(qū)動頻率的下限。 另外，光敏區(qū)的暗電流也與光信號電荷一樣，在各種光敏單元中積分，形成一個暗信號圖像，疊加到光信號圖像上，引起固定圖像噪聲。尤

21、其當(dāng)器件存在個別暗電流尖峰時，將在一幅清晰完整的圖像上產(chǎn)生某些“亮條”或“亮點”。8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.2暗電流34第8章 固態(tài)傳感器 CCD的噪聲源可歸納為三類，散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲及熱噪聲。(1).散粒噪聲 光子的散粒噪聲是CCD圖像器件固有的。它起源于光子流的隨機(jī)性，決定了器件的噪聲極限值。但它不會限制器件的動態(tài)范圍。8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.3 CCD的噪聲源35第8章 固態(tài)傳感器(2).轉(zhuǎn)移噪聲 轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)俘獲是引起轉(zhuǎn)移噪聲的根本原因。轉(zhuǎn)移噪聲具有積累性和相關(guān)性兩個特點。 所謂積累性是指轉(zhuǎn)移噪聲在轉(zhuǎn)移過程中逐次積累起

22、來的，轉(zhuǎn)移噪聲的均方值與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比。 所謂相關(guān)性是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的。8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.3 CCD的噪聲源36第8章 固態(tài)傳感器（3）熱噪聲 它是信號電荷注入及電荷檢出時產(chǎn)生的。信號電荷注入回路及信號電荷檢出時的復(fù)位回路均可等效為RC回路，從而造成熱噪聲。 8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.3 CCD的噪聲源37第8章 固態(tài)傳感器（3）熱噪聲影響噪聲限的因素：在實際使用中，由于器件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，或驅(qū)動電路性能差，從而使驅(qū)動脈沖噪聲大大增加。另外，“胖零”電荷注入及信號電荷檢出所引起的噪聲，也會因電路性能差，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

23、理論值，這些因素往往決定了器件的噪聲限。再有，因光敏區(qū)暗電流不均勻引起的“固定圖像噪聲”往往成為器件的噪聲限，尤其在環(huán)境溫度較高時更為嚴(yán)重。因為在室溫附近，溫度每增加5 ，暗電流增加一倍。 8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.3 CCD的噪聲源38分辨能力：是指圖像傳感器分辨圖像細(xì)節(jié)的能力，它是圖像傳感器的重要參數(shù)。空間頻率：任何圖像的光強(qiáng)在空間的明暗變化都可以通過傅里葉變換分解成周期性的明暗變化成分，其明暗變化的頻率(即每毫米中的“線對”)稱為空間頻率。最高空間頻率：CCD的分辨能力取決于其感光單元之間的間距。如果把CCD在某一方向上每毫米中的感光單元數(shù)稱為空間采樣頻率f0 ，則根據(jù)奈奎斯特采樣定理，一個圖像傳感器能夠分辨的最高空間頻率fm等于它的空間采樣頻率f0的一半，即第8章 固態(tài)傳感器8-3 電荷耦合器件5、CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 5.4 分辨能力39CCD圖像器件動態(tài)范圍的上限:光敏單元