单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章 光电成像器件,8.1,概述,1.,光电成像器件的发展,1934,年成功研制出光电摄像管；,1947,年成功研制超正析像管；,1954,年研制出灵敏度较高的视像管；,1965,年诞生了灵敏度高、分辨高、惯性小的氧化铅摄像管；,1976,年研制出成本更低、灵敏度更高的硒靶管和硅靶管；,1970,年美国贝尔实验室发表了电荷耦合器件原理。,2.,光电成像器件的类型,从成像原理上分,扫描型（摄像器件）,真空电子束扫描型：,光电型：光电发射式摄像管,光电导式摄像管,热电型：热释电摄像管,固体摄像器件：电荷耦合摄像器件,非扫描型,变像管：,红外,/,紫外,/X,射线变像管,像增强器：,串联式,/,级联式像增强管,微通道板式,/,负电子亲和势阴极像增强管,8.2,电荷耦合器件的工作原理,电荷耦合器件,CCD,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,的主要工作过程,信号电荷的产生、存储、转移、检测,CCD,的基本类型,表面沟道,CCD(,SCCD),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。,体沟道,/,埋沟道,CCD(,BCCD),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,内沿一定方向转移的器件。,8.2.1,电荷存储,CCD,的基本单元是,金属,-,氧化物,-,半导体,(MOS),结构。,(a),U,G,=,0,时，,P,型半导体中的空穴分布均匀；,图,8-1 CCD,栅极电压变化对耗尽区的影响,(b),U,G,U,th,时，,P,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,延伸；,(c),U,G,U,th,时，耗尽区的深,度与,U,G,成正比。,表面势,s,半导体与绝,缘体界面上的电势。,反型层,半导体内的电子,被吸引至表面，形成一层电荷,浓度很高的薄层。,图,8-2,表面势,s,与栅极电压,U,G,的关系,反型层的,物理解释,加有栅极电压的,MOS,结构在半导体与氧化层的,交界面处的势能最低。,图,8-3,s,与反型层电荷密度,Q,inv,的关系,MOS,电容存储信号电荷的容量为：,Q,=,C,OX,U,G,A,（,8-1,）,式中，,C,OX,为,MOS,电容的容量。,图,8-4,势阱,8.2.2,电荷耦合（电荷转移）,图,8-5,三相,CCD,中电荷的转移过程,CCD,的相,-,将电极分组，每一组称为一相，相数由其内部结,构决定。,驱动脉冲,-,对于,N,相,CCD,的电荷，必须在,N,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,单元移动。,CCD,电极间的间隙,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，,间隙的长度应小于等于,3,m,。,N,型沟道,CCD,以电子为信号电荷的,CCD,。,P,型沟道,CCD,以空穴为信号电荷的,CCD,。,8.2.3 CCD,的电极结构,CCD,电极的基本结构为,转移电极结构,转移沟道结构,信号输入单元结构,信号检测单元结构,1.,三相,CCD,的电极结构,三相单层铝电极结构,优点,：工艺简单存储密度较高。,缺点,：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。,第一层金属腐蚀后,第二层金属沉积后,图,8-6,采用,“,阴影腐蚀技术,”,的三相器件,三相电阻海结构,优点,：成品率高、性能稳定、不易受环境因素影响,缺点,：每个单元的尺寸较大，不适宜制造大型器件,图,8-7,三相电阻海结构,三相交叠硅栅结构,优点,：电极间隙小（零点几微米）、单元尺寸小,缺点,：高温工序多、必须注意防止层间短路,图,8-8,三层多晶硅的三相交叠栅结构,2.,二相硅,-,铝交叠栅结构,二相硅,-,铝交叠栅结构,图,8-9,二相硅,-,铝交叠栅结构,阶梯状氧化物结构,被测物,光学系统,1,图,8-10(a),第一种工艺的结构,图,8-10(b),第二种工艺的结构,3.,四相,CCD,较为适应很高的时钟频率，波形接近正弦波的驱动脉冲。,图,8-11,四相,CCD,电极结构,两层金属中间沉积物,多晶硅,-,金属交叠栅结构,两层铝电极用氧化铝绝缘,8.2.4,电荷的注入和检测,在,CCD,中，电荷注入的方法分为,光注入,电注入,1.,光注入,光注入方式,可分为,正面照射式,背面照射式,图,8-13,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,Q,in,=,q,N,eo,A,t,c,（,8-2,）,式中：,为材料的量子效率；,q,为电子电荷量；,N,eo,为入射光,的光子流速率；,A,为光敏单元的受光面积；,t,c,为光注入时间。,当,CCD,确定后，,注入到势阱中的信号电荷,Q,in,与入射光的,光子流速率,N,eo,及注入时间,t,c,成正比。,2.,电注入,电注入,CCD,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,相应的势阱中。,(1),电流注入法,(a),电流注入法,(b),电压注入法,图,8-14,电注入方式,当,MOS,晶体管工作,在饱和区时，输入栅下沟道电流为,（,8-3,）,式中，,W,为信号沟道宽度；,L,g,为注入栅,IG,的长度；,U,ig,为输入,栅的偏置电压；,U,th,为硅材料的阈值电压；,为载流子的迁移,率；,C,ox,为注入栅,IG,的电容。,经过,T,c,时间的注入后，,CR2,下势阱的信号电荷量为,（,8-4,）,(2),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,与,CR2,同位相的选通脉冲，但其宽度小于,CR2,的脉宽。在选通脉,冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅,CR2,下的势阱里，直,到势阱的电位与,N,+,区的电位相等时，注入电荷才停止。,CR2,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,入栅下的势垒开始把,CR2,和,N,+,的势阱分开，同时，留在输入电,极下的电荷被挤到,CR2,和,N,+,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。,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。,3.,电荷的检测（输出方式）,图,8-15,电荷检测电路,-,电流输出方式电路,输出电流,I,d,与注入到二极管中的电荷量,Q,s,的关系为,Q,s,=,I,d,d,t,(8-5),注入二极管中的电荷量,Q,s,越大，,I,d,也越大，,A,点电位下降,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,电荷,Q,s,。,复位场效应管,T,R,的作用,在复位脉冲,R,s,的作用下使,复位场效应管导通，使没来得及,被电阻,R,卸放掉的信号电荷通过复位场效应管卸放掉，使,A,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。,