§6.3、电荷耦合器件 (Charge Coupled Device,CCD) 电荷耦合器件CCD 固体成像器件 (Charge Coupled Device,CCD) 互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器 (Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)
§6.3、电荷耦合器件 (Charge Coupled Device, CCD) 固 体 成 像 器 件 电荷耦合器件CCD (Charge Coupled Device, CCD) 互补金属氧化物半导体 CMOS图像传感器 （Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）
CCD立体相机 激光高度计 前中后三层影像合成三维图片 (高度5m、分辨率1m) 低能离子探测器 干涉成像光谱仪 高能粒子探测器 Y射线相机 素探测 探测地月间的环境 X射线相机 城速制助0 地丹裤移致道 速制动 微波探测仪 减速问 轨道修正 土壤厚度、氨-3) 包使泊轨道 京报网“ www.bjd.com.cn
CCD立体相机 前中后三层影像合成三维图片 激光高度计 (高度5m、分辨率1m) 干涉成像光谱仪 γ射线相机 X射线相机 微波探测仪 (土壤厚度、氦-3) 高能粒子探测器 低能离子探测器 元 素 探 测 探测地月间的环境
电荷耦合器件CCD 线阵CCD 面阵CCD 表面沟道CCD(SCCD)电荷包存储在半导体与绝 CCD 缘体之间的界面，并沿界面转移。 类型 体沟道CCD(BCCD),电荷包存储在离半导体表面 定深度的体内，并在半导体内沿一定方向转移
电 荷 耦 合 器 件 C C D 线阵CCD 面阵CCD 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。 体沟道CCD(BCCD),电荷包存储在离半导体表面 一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向转移 CCD 类型
6.3.1电荷耦合器件的工作原理 1.1、CCD工作原理 CCD 光信息 →电脉冲 脉冲只反映一个光敏元的受光情况 脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱 输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置 完成图像传感
6.3.1 电荷耦合器件的工作原理 1.1、CCD工作原理 CCD 光信息 电脉冲 脉冲只反映一个光敏元的受光情况 脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱 输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置 完成图像传感
特点：以电荷作为信号 基本功能：电荷的存贮和转移 信号电荷的产生 信号电荷的存贮 CCD基本工作原理 信号电荷的传输 信号电荷的检测
特点：以电荷作为信号 基本功能：电荷的存贮和转移 CCD基本工作原理 信号电荷的产生 信号电荷的存贮 信号电荷的传输 信号电荷的检测
1.1.1 电荷存贮 CCD是由规则排列的金属一氧化物一半导体 Metal Oxide Semiconductor,MOS)电容阵列组成。 Metal 金属 Oxide 氧化物 Al Semiconductor半导体 S102 P-SI a b)
1.1.1 电荷存贮 CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体 （Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 Metal Oxide Semiconductor
当在金属电极上加正电压VG时， 金属 氧化物 在电场的作用下，电极下P型 (Si02) 区域里的多数载流子空穴被排 斥、驱赶，形成了一个耗尽区。 界面势 电子 半导体 (PSi) 势 而对于少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。 耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域称为 6 势阱” 势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面 势的大小近似与栅压VG成正比。 如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导 体硅产生电子一空穴对，由此产生的光电子被表面的势 阱所吸收。而空穴被电场排斥出耗尽区
金属 VG 氧化物 （SiO2） 半导体 (P—Si) 电子 势阱 界 面 势 如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导 体硅产生电子－空穴对，由此产生的光电子被表面的势 阱所吸收。而空穴被电场排斥出耗尽区。 当在金属电极上加正电压VG时， 在电场的作用下，电极下Ｐ型 区域里的多数载流子空穴被排 斥、驱赶，形成了一个耗尽区。 而对于少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。 耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域称为 “势阱” 。 势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面 势的大小近似与栅压VG成正比
势阱内吸收的光电子数量与入射光势阱附近的光强成正 比。这样一个MOS结构单元就称光敏单元或一个象素； 而将一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷 包。 通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的 MOS光敏单元，如果在金属电极上加上正电压，则在 半导体硅片上就形成成千上万的个相互独立的势阱。 如果此时照射在这些光敏单元上是一副明暗起伏的图 像，那么这些光敏元就会产生出一幅与光，照强度相对 应的光电荷图像，因而得到影像信号
势阱内吸收的光电子数量与入射光势阱附近的光强成正 比。这样一个MOS结构单元就称光敏单元或一个象素； 而将一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷 包。 通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的 MOS光敏单元，如果在金属电极上加上正电压，则在 半导体硅片上就形成成千上万的个相互独立的势阱。 如果此时照射在这些光敏单元上是一副明暗起伏的图 像，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相对 应的光电荷图像，因而得到影像信号
1.1.2.电荷耦合 CCD器件每一单元（每一像素）称为一位，有256位 1024位、2160位等线阵CCD。CCD一位中含的M0S电容个数 即为CCD的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构， 它们施加的时钟脉中也分为二相、三相、四相。二相脉 冲的两路脉冲相位相差180；三相及四相脉冲的相位差 分别为120、900。当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上 循环时，将实现信号电荷的定向转移及耦合。 图所示TCD1206的相邻两像元，每一位含M0S电容2个 取表面势增加的方向向下，工作过程如图所示：
1.1.2.电荷耦合 CCD器件每一单元（每一像素）称为一位，有256位、 1024位、2160位等线阵CCD。CCD一位中含的MOS电容个数 即为CCD的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构， 它们施加的时钟脉冲也分为二相、三相、四相。二相脉 冲的两路脉冲相位相差1800；三相及四相脉冲的相位差 分别为1200 、900 。当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上 循环时，将实现信号电荷的定向转移及耦合。 图所示TCD1206的相邻两像元，每一位含MOS电容2个 取表面势增加的方向向下，工作过程如图所示：
Φ102 aAQa☑风 02 第二位 不对称势阱 t t;t 每一位下两个 TCD1206二相驱动波形（Φ，、Φ，相位差180） ①t时 ②=t时 ③t时 ④鲥 a t=t时，Φ 电极处于高电平，而Φ，电极处于 低电平。由于Φ电极上栅压大于开启电压， 故在①下 形成势阱，假设此时光敏二极管接收光照，它每一位 (每一像元)的电荷都从对应的Φ电极下放入势阱
> 不对称势阱 每一位下两个 Φ1 Φ2 ① t=t1时 ② t=t2时 ③ t=t3时 ④ t=t4时 Φ1 Φ2 t1 t2 t3 TCD1206二相驱动波形（Φ1、Φ2相位差1800） t4 a t=t1时 ，Φ1电极处于高电平，而Φ2电极处于 低电平。由于Φ1电极上栅压大于开启电压，故在Φ1下 形成势阱，假设此时光敏二极管接收光照，它每一位 （每一像元）的电荷都从对应的Φ1电极下放入势阱