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1、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
2、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 GU th时，P型半导体中的空穴将开
3、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 GU 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Qinv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-
4、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3m。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
5、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
6、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 Neo 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；tc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Neo及注入时间t c成正比。,
7、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；Cox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
8、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Id与注入到二极管中的电荷量Q s的关系为 Q s=I d dt(8-5)注入二极管中的电荷量Q s越大，Id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。,
