1、光电器件-CCD原理,1969年秋，美国贝尔实验室受到磁泡即圆柱形磁畴器件的启示，提出了CCD的概念。,CCD是在MOS晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，所以有人说，CCD是“一个多栅MOS晶体管，即在源与漏之间密布着许多栅极、沟道极长的MOS晶体管”。,CCD是英文ChargeCoupledDevice的缩写， “电荷耦合器件”。,CCD像素数增加，分辨率、灵敏度大幅度提高。 线阵CCD已跃入阵列)。 国外5000像素的线阵CCD已商品化，并对4个5000像素CCD进行拼接，实现了两万像素超长线阵CCD，获得了相当大的动态范围，满足了星载、机载、空间监测等要求。,CCD自问世以来，以它无比
2、的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界的高度重视;,CCD的发明者,2006年元月，波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。 北京时间2009年10月6日，2009年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(Charles K. Kao)和两名科学家维拉博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治史密斯（George E. Smith）。,CCD发明者维拉博伊尔和乔治史密斯,CCD：它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换
3、器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。,CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。,1.CCD的物理基础MIS结构CCD是由按照一定规律紧密排列起来的金属-绝缘体-半导体(MIS)电容阵列组成的。,CCD结构及其工作原理,MIS电容结构是CCD的基本组成部分，CCD的工作原理是建立在MIS电容理论之上，依靠在MIS电容器上储存荷电载流子
4、和转运荷电载流子。,类似于金属一绝缘体一金属(MIM)平行板电容器， 在MIM电容器的两个金属极板上施加电压时，充电电荷分布在紧靠绝缘体的金属极板的原子层厚度内，其电压全部降落在绝缘体内。,对 MIS电容器施加电压时，因半导体中的电荷密度远小于金属的电荷密度，在半导体一侧，其电荷分布在半导体表面一定厚度的层内，所加的电压一部分降落在绝缘层内，另一部分则将降落在半导体表面的空间电荷层中。,图MIS电容结构,MIS电容结构特性,同时在半导体中有两种极性不同的载流子电子和空穴，而且其浓度相差很大(如在硅中，多子和少子浓度相差 1010倍)在MIS电容器上施加极性相反的电压时，半导体表面电荷层各处的电
5、荷极性、分布和厚度大不相同。,若给MIS电容器上施加一正向电压(VG)，则金属极板上带正电荷，半导体上带负电荷，在它们之间的绝缘层(氧化层)上将建立起电场(EI)，但是因为半导体中的自由载流子密度远远小于金属的自由电子密度。,半导体中的面电荷就要扩展到相当厚度的一层，即垂直电场的存在使半导体表面内形成具有相当厚度的空间电荷区,MIS电容器(a)及电场(电势)随深度变化图(b),它起着对电场的屏蔽作用，使电场由界面至内逐渐减小，直到空间电荷区边界，电场基本上被全部屏蔽，见上图。,对可见光CCD是以硅为基体材料的，绝缘体就是硅的氧化物，所以称为MOS电容结构。,电容剖面图,一、MOS电容的热平衡态
6、特性,图示出了p型半导体表面处能带结构的变化。EC为导带低，EV为价带顶，EF为费米能级，Ei为半导体在本征导电情况的EF，它位于禁带中央附近。,p型半导体表面处能带结构的变化(a)体内能带；(b)表面耗尽层；(c)表面积累层；(d)表面反型层。,如果表面的存在对电子运动没有任何影响的话，如图(a)所示，水平能量线将一直延伸到表面，并与表面垂直。,但事实上表面的存在不可能不影响到表面附近的电子运动和表面附近的能带结构，表面附近的电子能量也不可能与体内的能量完全一样。,实际上表面常常不可避免的有电荷吸附，在MOS结构中，半导体与绝缘体的交界面上也由于晶格结构不连续而出现局域化电子能级，因而带有一
7、定电荷。,在绝缘体内甚至其外表面也可能有电荷存在。,所有这些电荷总的效果等于是半导体表面施加了一个电场， 使得体内接近界面处的电子能带发生变化，使表面层内的电荷重新分布。,如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为负电荷，它的电场将排斥电子吸引空穴，接近表面的电子能量增大（如图） ，表面处能带向上弯曲，近表面处空穴浓度增大。也就是表面层内积累了相当数量的空穴来中和表面上的负电荷，所以表面层称做“积累层”。,能带弯曲的结果是使表面层剩下的负的受主离子及少量电子来中和表面上的正电荷。在这一表面层内，载流子都被电场驱开，通常称为“耗尽层”或“空间电荷层”，能带弯曲部分的深度就是耗尽层厚度(W)。,如果界面
8、上以及氧化层内总的有效电荷为正电荷，则近表面的电子能量降低，能带将向下弯曲。,如图 (b)所示，空穴被电场驱向体内，在表面层内留下带负电的受主离子浓度(NA)。,通常以体内的Ei为电势的零点，在表面上Ei相对于Ei的位置称为表面势(Vb)。能带向上弯曲表面势为负，能带向下弯曲表面势为正。,从表面到Ei与EF相交点的一薄层内变成N型导电，在这n型层与体内p型导电区之间仍是耗尽层，两层总厚为W。,如果表面及氧化层内的正电荷密度更大(外加电压情况)，则能带在表面处的向下弯曲将更为严重，以致在表面形成一层反型层，如图 (d)所示。,二、MOS电容的非平衡态特性,仍以p型半导体为例，若以外加电压(Vp)
9、的正极接到栅极，负极接到半导体的底板(Vp的值足够大)使半导体近界面处的能带下弯到进入反型层，,当Vp刚加到MOS电容器上的瞬间，在介电弛豫时间(约10-12S)内，金属电极上即感应生成负电荷。半导体中，只有多子(空穴)能够跟得上这个变化，少子(电子)在介电弛豫时间内没有变化。,图MOS电容在外加电压下，表面附近的能带结构(a)电压刚加上去的一瞬间；,在近界面层内留下了同样数目的NA，这时的能带结构如图 (a)所示， 外加电压(Vs)大部分降落在半导体的空间电荷层内， 只有一小部分(V0)降落在绝缘层上，这时近界面虽是强反型层，但电子尚没有产生，实质上是空的电子势阱。这是一个非平衡状态.,这时
10、降落在绝缘层的电压增加，而降落在半导体空间电荷层的电压则降低。,在此之后，快态(即半导体与绝缘层之间的界面态)可能产生电子一空穴对，体内热激发而产生的电子-空穴对，,其中电子在电场作用下进入势阱，空穴则被赶入体内，势阱中电子的填入，使此处能带抬高，最后恢复到热平衡状态，如图 (b)所示。,有信号电荷的势阱CCD的MOS结构图,(b)到达热平衡后。,在电子填充势阱的过程中，势阱中能容纳电子的多少取决于势阱的深浅，即表面势的大小，而表面势又取决于栅电压的大小。,如果没有外来信号电荷（电或光注入），势阱将被热生少数载流子所填满，而热生多数载流子将会通过衬底跑掉，此时MOS结构达到稳态。热生少数载流子
11、形成的电流叫“暗电流”。,对于光电检测，所关心的是非稳态情况，而稳态是非稳态的极限。,从非平衡态的建立到达热平衡所需要的时间(是热激发所产生的电子填满势阱所需的时间)称为存储时间即 T=20NA/ni,式中，0为耗尽区少子寿命；ni为本征载流子浓度。T的大小主要取决于硅晶体的完整性。完美硅单晶的T达几秒到几十秒。,CCD工作主要的基础是非平衡状态，在这个状态下，势阱可用来储留信号电荷，也可以用来使信号电荷从一个势阱转移到相邻的另一个势阱。,我们知道，外加在MOS电容上的电压越高，势阱越深；势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。,因此，通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深度，让MOS
12、电容排列足够紧密，使相邻的MOS电容相互沟通，就可使信号电荷由前的势阱流向新的势阱，实现信号电荷转移。,CCD的组成及其工作原理,CCD由3个部分组成， 信号输入部分 信号电荷转移部分 信号输出部分。一、输入部分作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式取决于应用。,在滤波、延迟线和存储器应用情况下是用电注入的方法将电荷提供给CCD， 在摄像应用中是依靠光注入的方式引入。,电注入机构是由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压(电流)转换为势阱中等效的电荷包，即给输入栅施加适当的电压，在其下半导体表面形成一个耗尽层。,如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以
13、更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。,这时输入栅下的耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷信号电荷包就会从输入二极管经过“通道”流入第一个转移栅下所形成的耗尽层(势阱)中，输入栅电压消失，输入过程完成。,也可将信号加在栅上，通过信号调制，控制栅下通道进行注入。,图给出了MOSFET注入方式的结构和时钟波形。简述一下注入过程：注入部分是一个高掺杂的n+区，构成n+P二极管。输入栅(in)相当于MOSFET的控制栅，1、2、分别为转移栅。第一个转移栅(1)即相当于MOSFET的漏。,CCD的场效应管(MOSFET)输入方式,当1处于高电位时，其下的表面势(Vs)大，所对应的势阱
14、深(图 (b)，如果这时注入二极管n+p结处于正偏，并在输入栅(in)上施加大于开启电压的正栅压，则电子将通过输入栅下的沟道注入到1下的势阱中(图 (c)。当输入取样结束(图 (d)，in恢复到低电位，场效应输入管夹断，取样中止。,以后每当1处于高电位和in也打开的一段时间内，电荷就相应的注入到1下的势阱中。这种输入方式是非线性的，而且引起的噪声较大。这属于CCD发展初期所采用的注入方式，只作原理性的试验分析用。,光注入是摄像器件所必须采取的唯一的注入方法。这时输入二极管由光敏元代替。固体图像器件的光敏元主要有：光电导体、MOS电容器(MOS二极管)、pn结光电二极管和肖特基势垒光电二极管。摄
15、像时光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收，产生电子一空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，少数载流子便被收集到势阱中成为信号电荷。,当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。,二、信号转移部分,信号转移部分的作用是存储和转移信号电荷。转移部分是由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。,通常是将重复频率相同、波形相同并且彼此之间有固定相位关系的多相时钟脉冲(数字脉冲)分组依次加在CCD转移部
16、分的电极上，使电极上的电压按一定规律变化，从而在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱。,由图可见，在信号电荷包运动的前方总是有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前定向作连续运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，受限于势阱的热弛豫时间，它必须远小于热弛豫时间，所以CCD是在非平衡状态工作的一种功能器件。,三、输出部分,输出部分由一个输出二极管、输出栅和一个输出耦合电路组成，其作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出，并检测出电荷包所输出的信息。最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置；,输出二极管处于反向偏置状态，到达最
17、后一个转移栅下的电荷包，通过输出栅下“通道”，到达反向偏置的二极管并检出，从而产生一个尖峰波形，此波形受偏置电阻(R)、寄生电容(C)，以及电荷耦合器件工作频率的影响。,FDA读出方法的等效电路,二极管输出电路及输出波形,左上图示出了这种输出电路及波形。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。,现在多采用浮置栅输出技术，它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用，如左下图所示。,浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度(数百毫伏)，以及良好的线性和较低的输出阻抗。,CCD的输出电路的设计和制造，和输入电
18、路一样是极为重要的，它们决定了整个CCD器件的噪声幅值。由于CCD是低噪声器件，因此选择和设计好CCD输入和输出电路，对于提高器件的信噪比，增大动态范围有着决定性的影响。,电荷转移沟道,CCD的信号电荷转移沟道有两类， 表面沟道电荷耦合器件(SCCD) 体内沟道(隐埋沟道或埋沟)电荷耦合器件(BCCD)。信号电荷包转移和存储的势阱是在SiSiO2界面处的Si表面移动的，而半导体硅表面处晶格周期性中断，在禁带中将存在着密度很高的局部能级(相当于1015cm-2数量级)。,经过一定的化学处理后的Si表面总存在着一层极薄的SiO2膜，使得Si和SiO2界面上的表面态数目少于硅自由表面上的表面态数目，
19、可以降到1010cm-2数量级，但是无法消除。,界面态的存在将和信号电荷相互作用，对转移特性如转移速度等，影响甚大。为了克服界面态对转移沟道中信号电荷转移的影响，可以通过外延技术或离子注入技术等，在氧化层下的半导体表面附近设置一层浅N层，将转移沟道由半导体表面移到“远离”界面的体内，这就叫做BCCD。, SCCD比BCCD的信号处理能力大，因为BCCD中电荷包到电极的有效距离比SCCD中氧化层的距离要大，降低了有效电容(相对于SCCD的氧化物电容而言)，也降低了信号处理能力。,表面沟道和体内沟道的转移结构和性能差别,BCCD由于有较大的边缘电场和较高的载流子迁移率，因而缩短了载流子的渡越时间，
20、提高了CCD的工作频率上限，频率可达几百兆赫，比SCCD提高了一个数量级以上。 由于BCCD的转移沟道在半导体内，避免了表面态的俘获作用，而体内缺陷态密度比表面态密度低得多，因而大大提高了CCD的转移效率。,SCCD是少子器件，即信号电荷是少数载流子；而BCCD是多子器件，信号电荷是多数载流子，这是两者的一个重要区别。,SCCD最大的优点是制作工艺简单、信号处理容量大，在一些运行速度要求不高的场合，具有很大的适应性。,两种转移沟道CCD各有优缺点，在应用中不能完全相互代替。,BCCD最大的优点是噪声低，这种低噪声和高传输效率相结合，可使BCCD成为低照度下较为理想的摄像器件(此时BCCD信号容
21、量小将不是主要矛盾)。,CCD的分类,1 按结构分类线阵CCD面阵CCD。一、线阵CCD线阵CCD是由一个二极管(ID)、一个输入栅(IG)、一个输出栅(OG)、一个输出二极管(OD)和一列紧密排列的MOS电容器构成, 电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。 因为信号输出的占空因数通常很小，所以如果作为摄像器件则常将光敏区和转移区分开，构成单边传输结构和双边传输结构。,这种结构不宜作摄像用，原因是:电极是金属蔽光的，即使是换成多晶硅，由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉比较严重，因此光强损失大，量子效率低。,线阵CCD单边结构(单个读出寄存器),单边传输结构是光敏区通过
22、其一侧转移栅与CCD移位寄存器相连，光敏元被沟阻分隔。,光敏元与CCD转移单元一一对应，二者之间设有转移栅，移位寄存器上覆盖有铝遮光，光敏区像元由光栅控制。,如图所示，在积分期间，光栅呈高电平，各光敏元下面形成积分势阱，收集光生少数载流子形成信号电荷包；积分结束时，光栅电平下降，转移栅电平升高，各光敏元的电荷包同时并行地通过转移栅向移位寄存器各单元转移，进入电极下的势阱中，在时钟脉冲驱动下沿移位寄存器移向输出端。,当电荷包转进移位寄存器后，转移栅电平下降，光栅则上升呈高电平，光敏元进入下一个积分期。,CCD转移过程中是有损失的。为了得到较好的传递性能，要求每次转移损失率必须小于10-4。一个三
23、相2048像素CCD移位寄存器，离输出端最远的信号电荷包，要转移6144次才能到达输出端，其转移损失率高达61。单边传输结构CCD只适用于光敏元较少的摄像器件中，如256像素CCD。,线阵CCD双边结构(双列读出寄存器),这两组光敏元中积累的信号电荷包在积分期结束后，分别进入两侧的移位寄存器，A元进入一侧，B元进入另一侧。,双边传输结构是将两列CCD移位寄存器平行地配置在光敏区两侧。光敏区用沟阻分割成两组，光敏元呈交错状，在光栅和转移栅的配合控制下，,同样光敏元的双边结构型CCD，要比单边结构型CCD的转移次数少近一半，它的总转移效率亦大大提高，所以一般在大于256像素以上的线阵CCD摄像器件
24、中，均采用双边传输结构。,1FTCCD帧转移结构包括光敏区、暂存区、水平读出寄存器和读出电路4个部分，前3个部分都是CCD结构，其结构特征是光敏区与暂存区分开，光敏区由并行排列垂直的电荷耦合沟道组成。,二、面阵CCD,面阵CCD大都用作摄像器件，类型有两种，即帧转移型(FT)和行间转移型(ILT)，也叫内线转移型。,各沟道之间用沟阻隔离，水平电极条覆盖在各沟道上。光敏区与暂存区CCD的列数、位数均相同，不同之处是光敏区面积略大于暂存区的面积。,读出寄存器的每一个转移单元与垂直列电荷耦合沟道一一对应，,如图所示。图中是以三相驱动为例，它比较复杂但具有代表性，暂存区和读出寄存器均用铝层覆盖，便于蔽
25、光。,图FTCCD (a)FTCCD结构； (b)驱动脉冲波形。,当积分结束时，光敏元和暂存区以同一速度快速驱动，将光敏区的一场信息转移到暂存区，然后光敏区重新开始另一场积分。与此同时，暂存区的光信号逐行向读出寄存器转移。,工作时，读出寄存器的传输速率为垂直列电荷耦合沟道CCD传输速率的V倍(V为垂直CCD的个数)，每当读出寄存器驱动V次，表示一行信息读完，进入行消隐。,在行消隐期间，暂存区的垂直CCD向下传输一次，即向读出寄存器转移一行信息电荷。至此，读出寄存器又开始新的一行信号读出，如此往复继续下去。,若不设暂存区，光敏区与读出寄存器组合仍然可以工作，但是，光敏区积分后，电荷包向水平读出寄
26、存器转移过程中，光像继续投射在光敏区，从而使电荷包产生拖影；,积分期一般比整个读出期长得多，因而信号占空比通常很小，显示的图像出现闪烁现象；对水平读出寄存器的驱动频率要求高，所以实用的帧转移结构都设有暂存区。,行间转移(内线转移)结构采用了光敏区与转移区相间排列方式。 这相当于将若干个单边传输的线阵CCD图像传感器按垂直方向并排，底部设置一个水平读出寄存器，其单元数等于垂直并排的线阵CCD图像传感器的个数。,2ILTCCD,如图所示，光敏元在积分期内积累的信号电荷包，在转移栅控制下水平地转移进入垂直CCD中，然后每帧信号以类似于帧转移结构的方式进入读出寄存器逐行读出。行间转移结构多采用二相形式
27、，因此，隔行扫描容易实现，只需让b1相和b2相分别担任奇偶场积分就可以了。,图ILTCCD (a)行间转移结构；(b)驱动波形。,CCD由几部分组成?各部分的作用是什么? CCD的电荷转移沟道有几种?它们结构和性能的差别是什么? 光敏元的单边和双边传输在结构和性能上的差异？,作业,固体的能带 电子在能带中的分布 晶体中所含价电子的数目高达每立方厘米1023个，因而每一能带中的能级数同样也很多。电子间不仅存在着库仑力的作用，当它们相互接近时会交换能量，电子还会与正离子交换能量，还会与光子交换能量。因此大量的电子在大量的能级间频繁地进行着交换，但电子在不同能级上的分布遵循一定的规律。量子统计理论表明：在热平衡状态下，金属中的电子在能级中的分布，遵从费密狄拉克分布，即在温度T时，金属中某一能级E被电子填充的概率为,式中EF为费米能级。当T =0K时(下图a)，电子完全占据费米能级以下的所有能级，而费米能级以上的能级没有被任何电子占据；若为常温(下图b)，电子占据费米能级的概率是1/2，即费米能级一半被电子占据，一半空着。,实际上当金属温度较高时，电子按能量的分布近似可用麦克斯韦分布律表示。,
