光电检测13

•CCD是一种电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)•CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。•CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储和传输。第四节电荷耦合器件（CCD）一、DC的成像原理数码相机工作原理：利用CCD（电荷耦合器件）感受光信号，使转变为电信号,经模/数转换变成数字信号，存储在相机内部的存储器中.数码相机可直接得到数字图像DC的成像原理•1、拍摄景物时，景物反射的光线通过镜头透射到CCD上。•2、当CCD上的光电材料受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。•3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。DC的成像原理•4、经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。•5、第4步所得到的图像数据输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色彩校正、白平衡处理等后期处理，编码为DC所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后被存储为图像文件。DC的成像原理6、最后，图像文件就被写入到存储器上（内置或外置存储器）。•目前市面上大部分DC使用的影像传感器是CCD，是一种特殊的半导体材料。是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的，通常以百万像素为单位。•DC规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指这台DC的CCD上有多少感光组件。光线透过镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。•当按动快门，CCD将各个元件的信息传送到A/D上，模拟电信号经过A/D处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片就诞生了。二、CCD的外形与结构外形：彩色CCD显微照片（放大7000倍）切开CCD，会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是微型镜头，第二层是分色滤色片，以及第三层感光汇流片CCD的结构•MOS光敏元：构成CCD的基本单元是MOS(金属—氧化物—半导体)结构。（Ｐ型层）电极（1）光电转换（2）电荷存贮（3）电荷转移三、CCD的工作原理1光电转换过程光照射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型硅衬底，硅中的电子吸收光子能量跃迁至导带，形成电子－－空穴对，且在外电场的作用下，分别向电极两端移动，因此产生光生电荷。注意：波长太长的光子由于自身能量小不足以激发电子跃迁；波长太短的光子由于穿透能力弱进不了衬底；所以，对于不同的MOS材料，器件具有不同的光谱响应特性，可以适用于不同的场合。•在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。•加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。•当UG＞Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。•反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。2、电荷存储P型硅杂质浓度Nd=1021m-3反型层电荷QINV=0表面势与反型层电荷密度的关系曲线的直线特性好，说明两者有着良好的反比例线性关系。可以“势阱”的概念来解释。电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体地交界面处。MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A3、电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）•第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。•若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。•CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够了。四、电荷的注入＆检测1、电荷的注入（1）光注入当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式＆背面照射式。其光注入电荷：0ATqQeonIP（2）电注入：(略）IDuINuIDIGФ1Ф2Ф3Ф2IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1电压注入法2、电荷的检测信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，而在输出端需选择适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。（1）电流输出：如P150图a。(2)浮置扩散放大器输出（略）（3）浮置栅放大器输出（略）由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散＆时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到Ф2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。UDRDRgAOGФ1Ф2放大图a四、CCD的特性参数1、转移效率＆转移损失率转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零信号”也有一定的电荷。2、工作频率f（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t为：t=T/3=1/3f,故，f1/3ζ。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故t≤T/3，即f≤1/3t。2、类型（1）线型CCD摄像器件•单沟道线型ICCD•双沟道线型ICCD（2）面阵ICCD•帧转移面阵ICCD•隔列转移型面阵ICCD•线转移型面阵ICCD它们的结构原理见课本线阵CCD外形面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCDCCD数码照相机数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。CCD用于图像记录数码相机的结构解剖（索尼F828）CCDCCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CCD数码摄像机