CCD基本工作原理

教学进度图像传感器的概述光电技术基础光源CCD图像传感器基本工作原理典型面阵ICCD视频信号处理及计算机数据采集图像传感器的典型应用典型线阵ICCD图像传感器基本原理及电视制式第五讲CCD图像传感器基本工作原理CCD型图像传感器突出特点：以电荷为信号载体；CCD的基本功能：电荷的存储和电荷的转移；CCD图像传感器的基本工作过程：光电转换（将光转换成信号电荷）电荷的储存（存储信号电荷-光积分）电荷的转移（转移信号电荷）电荷的检测（将信号电荷转换成电信号）光电二极管FD放大器CCD电荷存储电荷耦合CCD电极结构电荷注入和检测CCD特性参数电荷耦合摄像器件：工作原理、特性参数第五讲CCD图像传感器基本工作原理一、电荷存储——光电转换得到的信号电荷怎么存储？信号电荷以何种机制储存？信号电荷是空穴还是电子？——CCD多用电子利用电子可以被高电势所吸引的性质。在光电二极管中，不管用什么方法只要做出高于周围电势的部分，信号电荷(电子)就可以在此集中储存。电势阱：储存信号电荷的电势分布状态为了存储电荷必须制造一个存储区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集电荷不被复合。MOS电容器（也称MOS二极管）CCD是由若干MOS单元组成，它具有存储和转移信息的能力，故又称为动态移位寄存器。MOS电容器有二种类型：表面沟道和掩埋沟道。这二种类型MOS电容器的制造只有些许不同；然而，由于埋沟电容结构具有很多显著的优点，因此这种结构成了CCD制造工艺的首选。事实上今天制造的所有CCD几乎都利用埋沟结构。CCD的构成基础：MOS电容器(Metal-Oxide-Semiconductor)金属-氧化物-半导体MOS电容器的结构如图所示。在P型（或N型）半导体硅衬底上，生长一层很薄的SiO2绝缘层，再蒸镀上一层金属(铝)或高掺杂的多晶硅作为栅电极。衬底接地，栅极外接电压。半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为P型硅衬底和N型硅衬底，它对应不同的沟道形式，由于电子迁移率高，所以，大多数CCD选用P型硅衬底。当在栅电极上加上UG＞0的小电压时，P型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在Si表面处只留下一层不能移动的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”，形成图中的充电区域(空间电荷区)称作耗尽区。（相当于MOS电容器充负电）UG为零时，Si表面没有电场的作用，其多数载流子浓度与体内一样。Si本身呈电中性。P型半导体多数载流子为空穴。正电压UG进一多增加，当UG超过某一阈值Uth时，将使得半导体体内的电子（少数载流子）被吸引到半导体表面附近，形成一层极薄（厚度约10nm）但电荷浓度很高的反型层。这种情况称之为“反型状态”。（电势能最低点）反型层电荷的存在表明MOS结构存储电荷的功能。表面势：半导体与氧化层界面上的电势。表面势表征了耗尽区的深度，与栅极电压和氧化层厚度有关sΦ不同氧化层厚度不存在反型层电荷时势阱：由表面势产生的阱状空间。有的定义为：存储电荷的电势分布状态。电极上的电压越大，势阱越深，可存储的电荷量越多，也就代表了CCD器件具有电荷存储功能。理论分析参见半导体物理栅极电压不变时，表面势与反型层电荷密度的关系：反型层电荷填充势阱时，表面势收缩的情况：势阱存信号电荷类似水桶盛水水桶模型溢出现象中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的收集埋沟MOS电容器二氧化硅电极N型硅P型硅光生电子－空穴对耗尽区埋沟电容是在一个p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面上形成一个n-型区(~1μm厚)；然后，生长出一层薄的二氧化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。qEp电子的势能：q是电子的电荷量，而为静电势2-6中国科学院长春光学精密机械与物理研究所无偏置时，n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散，p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散；这个结构与二极管结的结构完全相同。上述的扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。np沿此线的电势示于上图.电势CCD厚度方向的截面图这种‘埋沟’结构的优点是能使光生电荷离开CCD表面，因为在CCD表面缺欠多，光生电荷会被俘获。这种结构还可以降低热噪声（暗电流）。电荷的收集MOS电容器电子势能最小的地方位于n-型区内并与硅-二氧化硅(Si-SiO2)的交界面有一定距离这个势能最小(或电位最高)的地方就是多余电子聚集的地方。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。电荷的收集MOS电容器电势电势势能势能中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD曝光时，产生光生电荷，光生电荷在势阱里收集。随着电荷的增加，电势将逐渐变低，势阱被逐渐填满，不再能收集电荷，达到饱和。势阱能容纳的最多电荷称为满阱电荷数。np电势最大电势区电荷的收集MOS电容器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所实际的埋沟结构埋沟结构的两边各有一个比较厚(~0.5-1.5μm)的场氧化物区。该区与高掺杂的p-型硅一起形成形成沟阻，该区的静电势对栅极的电压和电压变化不敏感，始终保持形成势垒。电荷的收集MOS电容器栅极N型埋沟场氧化物沟阻P型衬底耗尽区信号电荷氧化物中国科学院长春光学精密机械与物理研究所埋沟结构的MOS电容的主要特点是：•能在单一电极之下的一个局部区域内产生势阱；•能调整或控制栅极下面的势能；•储存电荷的位置(势能最小处)离Si-Si02交界面有一定的距离；•低的暗电流使其能够长时间的储存信号电荷(取决于工作条件可以从数十秒到数小时)；•所收集的电荷可以通过光照、电注入等产生；•能快速地将电荷从一个电极之下的一个位置转移到下一个邻近的电极下面，而且损失非常低。电荷的收集MOS电容器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所像元边界电荷包p-型硅n-型硅SiO2绝缘层电极结构像元边界入射的光子光子入射到CCD中产生电子空穴对，电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。电荷的收集电荷收集的效率与电势的分布、复合寿命和扩散长度有关。二、电荷耦合——MOS电容器中存储的电荷如何移动？显微镜下的MOS元表面P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2Ф3输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2CCD的MOS结构原理：利用电势阱移动信号电荷类比：水按顺序倾倒到相邻水桶问题：如何实现？时序驱动脉冲以三相CCD为例说明控制电荷定向转移的过程:电极仅靠势阱合并每一个像素上有三个金属电极,依次在上面施加三个相位不同的控制脉冲三相CCD的电荷包转移过程注意各个电极上电压的变化:驱动脉冲波形设计三相普通结构CCD假设初始时刻电荷存储在电极Ф1下，向右定向移动从上到下依次为Ф1Ф2Ф3100100100—t1110110110—t2010010010—t3011011011—t4001001001—t5101101101—t6100100100—t7TT作业一设计由普通电极结构组成的四相CCD的驱动脉冲。设计要求：信号电荷最初仅存在于电极Ф2下，并要求信号电荷从左到右在CCD中定向移动。波形分析：根据驱动波形知道驱动脉冲的占空比为多少？驱动脉冲时序上的关系（Ф2比Ф1延迟多长时间）？驱动电路：相应的时序电路如何设计？从上到下依次为Ф1Ф2Ф3Ф4说明：CCD的电极分成几组，每一组称为一相，每一组施加同样的时钟驱动脉冲。CCD工作所需要的驱动脉冲相数由其电极结构决定。对于普通结构的CCD，为了使电荷包单向转移，至少需要三相。对于特殊结构的CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。信号电荷必须在相应驱动脉冲作用下，才能以一定方向逐单元地转移。CCD电极间隙必须很小（不大于3微米），电荷才能不受阻碍地从一个电极转移到相邻电极下；如果电极间隙过大，两电极的势阱就被势垒隔开，不能合并，也就不能发生移动了。CCD转移电极一般用金属铝或多晶硅制成；CCD转移电极基本要求：电荷定向转移相邻势阱耦合三、CCD的电极结构——信号电荷转移的驱动接入1、三相电极结构(三相CCD)采用对称电极结构，三相CCD是最简单的电极结构。因为在某一确定的时刻，对存贮有电荷的电极而言，两个相邻电极，需要一个被“打”开，另一个保持“关”闭，以阻止电荷倒流。通常这种电极结构有三种形式：三相单层铝电极结构三相电阻海结构三相交叠硅栅结构（1）三相单层铝电极结构在轻掺杂的硅衬底上先生成一层0.1μm的SiO2，而后在SiO2上蒸发一层铝，采用光刻工艺形成间隙很窄的电极。结构存在明显的缺点：电极间隙处SiO2表面裸露在周围气氛中，有可能沾污SiO2表面，造成表面势不稳定，影响转移效率。（2）三相电阻海结构为得到封闭的电极结构，采用的方法之一就是引用硅栅结构。在氧化物层上沉积一层多晶硅，然后按要求对电极区域选择掺杂(硼或磷)，形成图中的低阻多晶电极，电极间互连和焊接区采用蒸铝来实现。结构优点：封闭式，性能稳定，成品率高；缺点：由于光刻和多晶硅定域掺杂难以保证电极间高阻区很窄，使得每个单元尺寸较大，这样的结构仅用于小型列阵器件。（3）三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构是常用三相交叠电极结构形式。电极间窄间隙，又封闭的电极结构。三相交叠电极可以是多晶硅，也可以是铝金属，或者两种混用。（3）三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅的形成工艺：先在硅表面生成一层高质量的氧化物（栅氧），跟着沉积一层多晶硅，掺杂后按规定图案光刻出第一组电极；而后再进行热氧化，形成一层氧化物，再沉积多晶硅、掺杂，第二次光刻出第二组电极；第三组电极形成方法与第二组电极相同。2、二相硅-铝交叠栅结构为使CCD能在二相时钟脉冲驱动下工作，电极本身必须设计成不对称性，在这种不对称电极下产生体内势垒，即由电极本身保证电荷能定向运动。常用方法：利用绝缘层厚度不同的台阶和离子注入产生的势垒优点：二相时钟方法的时钟驱动简单。缺点：厚氧化层下面是阻挡势垒，不能存贮电荷，加之势阱势垒差减小，所以，能够存贮在势阱中的信号电荷量比三相时钟情况少。一相电极3、四相CCD四相CCD工作状态与三相器件、二相器件相比，较为适合于工作时钟频率很高的情况(如100MHz)，此时驱动波形接近正弦波。双重势垒相隔，转移效率提高4、体沟道CCD（埋沟道CCD——BCCD）前面讲的CCD，信号电荷是贴近氧化层界面的衬底内转移。表面CCD存在如电荷转移速度和转移效率低等问题。其主要原因是受表面态和迁移率的影响。设法将信号的转移沟道移到半导体体内，即通过对转移沟道进行离子注入，使势能的极小值离界面有一定距离。两种来源：光注入（图像传感器）＋电注入Qin=ηqNeoAtcη为材料的量子效率；q为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。四、电荷的注入——CCD的MOS电容器中信号电荷的来源？１、光注入：分为正面照射式和背面照射式Qin=ηqANeotc2、电注入：给CCD势阱中注入电荷通过输入结构对信号电压或电路进行采样，然后转换成信号电荷注入到相应的势阱中。1电压注入法结构模拟输入信号IG:输入栅极；当CR2为高电平时，可将ID极看成MOS晶体管的源极，IG为栅极，CR2为漏极。电流注入法结构注入信号电荷与Uin非线性关系五、电荷的检测(输出)—MOS电容器中信号电荷最后咋输出？目前的CCD输出电荷信号主要是利用电流输出方式。电路组成：1输出二极管反向偏置电路。由电源UD、电阻R、衬底p和N+区构成的输出二极管反向偏置电路，对于电子来说，N+区下面相当于一个很深的势阱。2源极输出放大器3复位场效应管TR过程描述：1.CCD信号电荷向右转移到最后一级转移电极CR2；2.CR2电压由高变低，势阱抬高，信号电荷通过输出栅OG下的势阱进入反向偏置的二极管中。在输出二极管反向偏置电路上产生电流ID；3.电流ID造成A点电位发生变化，