ccd工作原理ppt课件

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CCD成像技术及其在遥感中的应用 第二章 CCD工作原理内容 CCD工作过程电荷的生成电荷的收集电荷包的转移电荷包的测量 CCD与CMOS比较小结 CCD的工作过程电荷的生成电荷的生成 能带理论复习电荷的生成 能带理论复习 通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV，砷化镓的Eg＝1.42eV)。电荷的生成 如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。用公式表示如下: 电荷的生成 光电效应中有一个临界波长（ ），定义为：电荷的生成 能带理论复习 电子一旦被激发到导带，它就可以在单晶硅的晶格附近自由运动了。 电子离开后所形成的空穴成为一个带正电的载流子。 在没有外电场的情况下，这样的一对电子和空穴会在一定时间(复合寿命)内将复合并湮灭。在CCD中，利用一个电场把这些载流子收集起来，防止他们的复合。 电荷的生成 有关参数 与CCD电荷生成过程有关的参数是量子效率(QE)和暗电流。 影响QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission) 等。 影响暗电流的因素主要是温度。电荷的生成 理想情况下，电极材料应该是完全透明的，实际上这些材料对光都有一些吸收和反射。如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中λ1和λ2所表示的情况。 电荷的生成 深蓝光(400nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为0.2m见图中的λ3。 电荷的生成 红光(650nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为3.33m，激发出的电子在收集区外生成，复合寿命长，热扩散使这些电子被收集。见图中的λ5。 电荷的生成 CCD硅表面下几个m范围内晶格没有缺欠，也没有氧化物沉积，这个区域内有很高的复合寿命；但是在硅衬底的其他部分(以及表面处)存在着大量的晶体缺欠，因此复合寿命非常低。波长长的光线在衬底中生成电子的位置很深，那里的复合寿命很低，很容易复合.图中λ6表示的就是这种情况。 电荷的生成 红外光 (1250nm)波长超过临界波长，不能激发光电子，见图中的λ7。 电荷的生成 Foveon X3 Sensors 电荷的生成 Foveon X3 Sensors 电荷的生成 可以用量子效率计算响应度，响应度的单位是A/W或 。计算公式如下：电荷的生成电荷的生成电荷的收集 CCD工作过程的第二步是电荷的收集，是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。 为了收集电荷，必须制造一个收集区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集的电荷不被复合。 收集区：势阱。 电荷的收集 MOS 电容器 MOS 电容器是所有MOS(金属-氧化物-半导体) 结构中最简单的，它是CCD的构成基础；弄清楚这种结构的原理对理解CCD的工作原理是非常有用的。 MOS电容器有二种类型：表面沟道和埋沟。 这二种类型MOS电容器的制造只有些微地不同；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。 电荷的收集 MOS 电容器 电荷的收集 复合寿命 由光子激发出的电子在重新跃迁回价带(与空穴复合)之前可以在硅晶格内活动的时间是有限的。这个过程的时间常数称为复合寿命，其大小取决于硅的质量和掺杂的浓度。越长，信号电子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。电荷的收集 扩散长度电荷的转移 CCD工作过程的第三步是电荷包的转移，是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。 CCD的工作过程类比说明 下面通过类比说明 CCD 收集、转移和测量电荷的过程。 CCD的工作过程类比说明 CCD的工作过程类比说明 首先，最左边一行接雨水的小盆将所接的雨水通过虹吸泵转移到与雨水量筒排成一排的一行小盆（读出寄存器)中。 CCD的工作过程类比说明 然后将最靠近量筒小盆中的雨水通过虹吸泵导入量筒中测量它的数量。 每次测量完成以后，都要将量筒倒空，准备下一次测量。 CCD的工作过程类比说明 CCD的工作过程类比说明 CCD的工作过程类比说明重复上述转移－测量的过程，直到所有小盆中雨水的数量都测量完毕。准备好进行下一次开始接雨水（曝光）。 电荷的转移 三相CCD 电荷的测量 CCD工作过程的第四步是电荷的测量，是将转移到输出级的电荷转换为电压信号的过程。 电荷的测量 CCD工作过程与性能电荷生成 量子效率 (QE)、 暗电流电荷收集 满阱电荷数、 均匀性、 扩散 (调制传递函数， MTF) 电荷转移 电荷转移效率 (CTE)， 电荷测量 读出噪声 、 线性度 CCD与CMOS比较 CMOS的集成度高 CMOS的填充因子较低 CCD CMOS CCD的基本结构非常简单，就是MOS电容。了解MOS电容就了解了收集电荷的势阱，了解了隔离电荷包的势垒，了解了供电荷转移的沟道。 CCD的输出结构对CCD性能的影响至关重要。通过对输出结构的学习，重点了解CCD输出信号的特殊性和复位噪声的概念。 CMOS图像传感器发展很快，学习本章内容对CMOS的应用也是有用的。tOs红软基地