第8章光电成像器件81节.ppt

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1、8.18.1 概述概述1.1.光电成像器件的发展光电成像器件的发展 19341934年成功研制出光电摄像管；年成功研制出光电摄像管；19471947年成功研制超正析像管；年成功研制超正析像管；19541954年研制出灵敏度较高的视像管；年研制出灵敏度较高的视像管；19651965年诞生了灵敏度高、分辨高、惯性小的氧化铅摄像管；年诞生了灵敏度高、分辨高、惯性小的氧化铅摄像管；19761976年研制出成本更低、灵敏度更高的硒靶管和硅靶管；年研制出成本更低、灵敏度更高的硒靶管和硅靶管；19701970年美国贝尔实验室发表了电荷耦合器件原理。年美国贝尔实验室发表了电荷耦合器件原理。2.2.光电成像器件

2、的类型光电成像器件的类型 从成像原理上分从成像原理上分 扫描型（摄像器件）扫描型（摄像器件）真空电子束扫描型：真空电子束扫描型：光电型：光电发射式摄像管光电型：光电发射式摄像管 光电导式摄像管光电导式摄像管 热电型：热释电摄像管热电型：热释电摄像管 固体摄像器件：电荷耦合摄像器件固体摄像器件：电荷耦合摄像器件 非扫描型非扫描型 变像管：变像管：红外红外/紫外紫外/X/X射线变像管射线变像管 像增强器：像增强器：串联式串联式/级联式像增强管级联式像增强管 微通道板式微通道板式/负电子亲和势阴极像增强管负电子亲和势阴极像增强管8.2 8.2 电荷耦合器件的工作原理电荷耦合器件的工作原理 电荷耦合器

3、件电荷耦合器件CCDCCD以电荷为信号载体。以电荷为信号载体。CCDCCD的基本功能的基本功能电荷的存储和电荷的转移电荷的存储和电荷的转移 CCDCCD的主要工作过程的主要工作过程信号电荷的产生、存储、转移、检测信号电荷的产生、存储、转移、检测 CCDCCD的基本类型的基本类型 表面沟道表面沟道CCD(CCD(SCCD)SCCD)电荷包存储在半导体与绝缘体之间电荷包存储在半导体与绝缘体之间 的界面，并沿界面转移的器件。的界面，并沿界面转移的器件。体沟道体沟道/埋沟道埋沟道CCD(CCD(BCCD)BCCD)电荷包存储在离半导体表面一电荷包存储在离半导体表面一 定深度的体内，并在半导体体定深度的

4、体内，并在半导体体 内沿一定方向转移的器件。内沿一定方向转移的器件。8.2.1 8.2.1 电荷存储电荷存储 CCDCCD的基本单元是的基本单元是金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)(MOS)结构。结构。(a)(a)U U G G=0 0时，时，P P型半导体中的空穴分布均匀；型半导体中的空穴分布均匀；图图8-1 CCD8-1 CCD栅极电压变化对耗尽区的影响栅极电压变化对耗尽区的影响(b)(b)U U G GU U thth时，时，P P型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半 导体中产生耗尽区，电压继续增加，耗尽区向半导体体内导体中产生耗尽区，电压

5、继续增加，耗尽区向半导体体内 延伸；延伸；(c)(c)U U G GU U thth时，耗尽区的深时，耗尽区的深 度与度与U U G G成正比。成正比。表面势表面势s s半导体与绝半导体与绝缘体界面上的电势。缘体界面上的电势。反型层反型层半导体内的电子半导体内的电子被吸引至表面，形成一层电荷被吸引至表面，形成一层电荷浓度很高的薄层。浓度很高的薄层。图图8-2 8-2 表面势表面势s s与栅极电压与栅极电压U U G G的关系的关系 反型层的反型层的物理解释物理解释 加有栅极电压的加有栅极电压的MOS结构在半导体与氧化层的结构在半导体与氧化层的交界面处的势能最低。交界面处的势能最低。图图8-3

6、8-3 s s与反型层电荷密度与反型层电荷密度Q Qinvinv的关系的关系 MOS电容存储信号电荷的容量为：电容存储信号电荷的容量为：Q=C OX U G A （8-1）式中，式中，C OX为为MOS电容的容量。电容的容量。图图8-4 8-4 势阱势阱8.2.2 8.2.2 电荷耦合（电荷转移）电荷耦合（电荷转移）图图8-5 8-5 三相三相CCDCCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程 CCDCCD的相的相-将电极分组，每一组称为一相，相数由其内部结将电极分组，每一组称为一相，相数由其内部结 构决定。构决定。驱动脉冲驱动脉冲-对于对于N N相相CCDCCD的电荷，必须在的电荷，必须在N N相

7、交叠脉冲的作相交叠脉冲的作 用下，电荷包才能沿半导体表面按一定方向逐用下，电荷包才能沿半导体表面按一定方向逐 单元移动。单元移动。CCDCCD电极间的间隙电极间的间隙能够产生完全转移的最大间隙一般由具能够产生完全转移的最大间隙一般由具 体电极结构、表面态密度等因素决定，体电极结构、表面态密度等因素决定，间隙的长度应小于等于间隙的长度应小于等于3 3m m。N N型沟道型沟道CCDCCD以电子为信号电荷的以电子为信号电荷的CCDCCD。P P型沟道型沟道CCDCCD以空穴为信号电荷的以空穴为信号电荷的CCDCCD。8.2.3 CCD8.2.3 CCD的电极结构的电极结构 CCDCCD电极的基本结

8、构为电极的基本结构为 转移电极结构转移电极结构 转移沟道结构转移沟道结构 信号输入单元结构信号输入单元结构 信号检测单元结构信号检测单元结构1.1.三相三相CCDCCD的电极结构的电极结构 三相单层铝电极结构三相单层铝电极结构 优点优点：工艺简单存储密度较高。：工艺简单存储密度较高。缺点缺点：电机间隙处氧化物直接裸露在周围气氛中，使得下：电机间隙处氧化物直接裸露在周围气氛中，使得下 方表面势变得不稳定，影响转移效率。方表面势变得不稳定，影响转移效率。第一层金属腐蚀后第一层金属腐蚀后第二层金属沉积后第二层金属沉积后图图8-6 8-6 采用采用“阴影腐蚀技术阴影腐蚀技术”的三相器件的三相器件三相电

9、阻海结构三相电阻海结构 优点优点：成品率高、性能稳定、不易受环境因素影响：成品率高、性能稳定、不易受环境因素影响 缺点缺点：每个单元的尺寸较大，不适宜制造大型器件：每个单元的尺寸较大，不适宜制造大型器件 图图8-7 8-7 三相电阻海结构三相电阻海结构三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构 优点优点：电极间隙小（零点几微米）、单元尺寸小：电极间隙小（零点几微米）、单元尺寸小 缺点缺点：高温工序多、必须注意防止层间短路：高温工序多、必须注意防止层间短路图图8-8 8-8 三层多晶硅的三相交叠栅结构三层多晶硅的三相交叠栅结构2.2.二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝交叠栅结构二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝交叠栅

10、结构图图8-9 8-9 二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝交叠栅结构阶梯状氧化物结构阶梯状氧化物结构 被测物被测物光学系统光学系统1图图8-10(a)8-10(a)第一种工艺的结构第一种工艺的结构图图8-10(b)8-10(b)第二种工艺的结构第二种工艺的结构3.3.四相四相CCDCCD 较为适应很高的时钟频率，波形接近正弦波的驱动脉冲。较为适应很高的时钟频率，波形接近正弦波的驱动脉冲。图图8-11 8-11 四相四相CCDCCD电极结构电极结构两层金属中间沉积物两层金属中间沉积物多晶硅多晶硅-金属交叠栅结构金属交叠栅结构两层铝电极用氧化两层铝电极用氧化铝绝缘铝绝缘8.2.4 8.2.4 电荷的注入

11、和检测电荷的注入和检测 在在CCDCCD中，电荷注入的方法分为中，电荷注入的方法分为 光注入光注入 电注入电注入1.1.光注入光注入 光注入方式光注入方式可分为可分为 正面照射式正面照射式 背面照射式背面照射式图图8-13 8-13 背面照射式光注入背面照射式光注入 CCD摄像器件的光敏单元为光注入式，光注入电荷为摄像器件的光敏单元为光注入式，光注入电荷为 Q in=q Neo A t c （8-28-2）式中：式中：为材料的量子效率；为材料的量子效率；q q为电子电荷量；为电子电荷量；N N eoeo为入射光为入射光的光子流速率；的光子流速率；A A为光敏单元的受光面积；为光敏单元的受光面积

12、；t tc c为光注入时间。为光注入时间。当当CCD确定后，确定后，注入到势阱中的信号电荷注入到势阱中的信号电荷Q Q inin与入射光的与入射光的光子流速率光子流速率N Neoeo及注入时间及注入时间t t c c成正比。成正比。2.2.电注入电注入 电注入电注入 CCD CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到 相应的势阱中。相应的势阱中。(1)(1)电流注入法电流注入法 1 (a)(a)电流注入法电流注入法 (b)(b)电压注入法电压注入法图图8-14 8-14 电注

13、入方式电注入方式 当当MOSMOS晶体管工作晶体管工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为在饱和区时，输入栅下沟道电流为（8-38-3）式中，式中，W W 为信号沟道宽度；为信号沟道宽度；L L g g为注入栅为注入栅IGIG的长度；的长度；U U igig为输入为输入栅的偏置电压；栅的偏置电压；U U thth为硅材料的阈值电压；为硅材料的阈值电压；为载流子的迁移为载流子的迁移率；率；C Coxox为注入栅为注入栅IGIG的电容。的电容。经过经过T T c c时间的注入后，时间的注入后，CR2CR2下势阱的信号电荷量为下势阱的信号电荷量为（8-48-4）c2thiginoxg2TUUUCLWQs2

14、thiginoxg2UUUCLWIs(2)(2)电压注入法电压注入法 电压注入法是把信号加到源极扩散区上，输入电极上加有电压注入法是把信号加到源极扩散区上，输入电极上加有与与CR2CR2同位相的选通脉冲，但其宽度小于同位相的选通脉冲，但其宽度小于CR2CR2的脉宽。在选通脉的脉宽。在选通脉冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅CR2CR2下的势阱里，直下的势阱里，直到势阱的电位与到势阱的电位与N N+区的电位相等时，注入电荷才停止。区的电位相等时，注入电荷才停止。CR2CR2下下势阱中的电荷向下一级转移之前，由于选通脉冲已经终止，输势阱中的电荷向下一级转移之前

15、，由于选通脉冲已经终止，输入栅下的势垒开始把入栅下的势垒开始把CR2CR2和和N N+的势阱分开，同时，留在输入电的势阱分开，同时，留在输入电极下的电荷被挤到极下的电荷被挤到CR2CR2和和N N+的势阱中。由此而引起的起伏不仅的势阱中。由此而引起的起伏不仅产生输入噪声，而且使信号电荷与输入电压的线性关系变坏。产生输入噪声，而且使信号电荷与输入电压的线性关系变坏。上述起伏可通过减小输入电极的面积来克服。另外，选通上述起伏可通过减小输入电极的面积来克服。另外，选通脉冲的截止速度减慢也能减小这种起伏。脉冲的截止速度减慢也能减小这种起伏。3.3.电荷的检测（输出方式）电荷的检测（输出方式）图图8-1

16、5 8-15 电荷检测电路电荷检测电路-电流输出方式电路电流输出方式电路 输出电流输出电流I Id d与注入到二极管中的电荷量与注入到二极管中的电荷量Q Q s s的关系为的关系为 Q s=I d dt (8-5)(8-5)注入二极管中的电荷量注入二极管中的电荷量Q s越大，越大，Id也越大，也越大，A点电位下降点电位下降的越低。所以，可用的越低。所以，可用A点的电位来检测注入到输出二极管中的点的电位来检测注入到输出二极管中的电荷电荷Q s。复位场效应管复位场效应管T T R R的作用的作用 在复位脉冲在复位脉冲R R s s的作用下使复位场效应管导通，使没来得及的作用下使复位场效应管导通，使没来得及被电阻被电阻R R卸放掉的信号电荷通过复位场效应管卸放掉，使卸放掉的信号电荷通过复位场效应管卸放掉，使A A点的点的电位恢复到起始的高电平，为接受新的信号电荷作好准备。电位恢复到起始的高电平，为接受新的信号电荷作好准备。