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Charge-coupledDevice(CCD,CoupledDevice)willbeatbellLABSin1969,successfuldevelopmentinsolidimagesensor,andtheapplicationismostcommoninMOSDevicedevelopedonthebasisof.ItUSESahighofsemiconductormaterialsmode,canputthelightintoacharge,throughtheadcchipconvertedintodigitalsignals,mayrealizethephotoelectricsignalconversion,storage,transportanddetectionfunction.CCDhassmallvolume,lightweight,simplestructureandlowconsumptioncharacteristics,notonlyinthefax,characterrecognition,imageidentificationfieldwidelyusedinmodernmeasurementandcontroltechnology,andoftenusedinthedetectionofvolumewithout,shape,size,position,etc.ThispapersimplyintroducedtheCCDbrieflytheprinciple,structureandsimpleapplication.
Keyword:
CCDprincipleapplication
第2章原理简述
光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器,具有非接触、高精度、反应快、可靠性高等特点。
电荷耦合器件(CCD,ChargeCoupledDevice)作为一种其中一种,于1969年在贝尔试验室研制成功,是以电荷作为信号,而不是以电流或者电压作为信号。
CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
因此,CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和读出。
在固态图像传感器中的应用最为普遍,是在MOS器件的基础上发展起来的。
目前,CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术,成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。
2.1CCD的结构和分类
CCD的基本单元是MOD(金属氧化物半导体)电容。
其结构如图2.1所示。
以P型硅衬底为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成厚度约为120mm的氧化物(SiO2),然后在SiO2上淀积一层金属为栅极构成MOS电容,MOS电容称为光敏元或像素。
若干个MOS电容构成MOS阵列,相邻的MOS电容之间具有耦合电荷的能力。
MOS阵列与输入、输出电路构成CCD器件。
CCD的分类有根据集成方式、制式、色别、分辨率、灵敏度、特殊用途等多种方式。
本文中只介绍根据集成方式分
类。
根据集成方式可分为线阵CCD、面阵CCD。
图2.1MOS电容结构
线阵列CCD用于获取一维光信息,由一列MOS光敏元和一列CCD移位寄存器构成。
面阵CCD的光敏元呈二维矩阵排列能检测二维图像信息,一般有3种结构。
第一种是帧转性CCD。
它由上、下两部分组成,上半部分是集中了像素的光敏区域,下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。
第二种是行间转移性CCD。
它是目前CCD的主流产品,它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上。
第三种是帧行间转移性CCD。
它是第一种和第二种的复合型,结构复杂。
2.2CCD的工作原理
CCD的突出特点是以电荷作为信号,它的基本功能是电荷的存贮和转移。
因此,CCD的基本工作过程包括电荷的产生、存贮、传输和检测。
1.电荷存储
若MOS电容为P型硅衬底,当MOS金属电极正向电压UG大于开启电压Uth时,P型硅中的多数载流子(空穴)受金属中正电荷(空穴)排斥,少数载流子(电子)将迅速地聚集到半导体表面处形成带负电荷的耗尽层,又称表面势阱。
习惯上,可以把势阱想象成一个容器,把聚集在里面的电子想象成容器中的液体,
如图2.2所示。
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极电压UG成正比。
势阱填满是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。
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可供使用。
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2.3显示了二相线型CCD的驱动波形,Φ1、Φ2相位差1800。
TCD1206是以二相线型CCD,每一单元含MOS电容2个,如图2.4所示,以相邻两单元为例表示其工作过程,取表面势增加的方向向下。
1t=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。
2t=t2时,Φ1电极上栅压小于Φ2电极上栅压,故Φ1电极下势阱变浅,势阱变深,电荷更多流向Φ2电极下。
(由于势阱的不对称性,“左浅右深”,电荷只能朝右转移)
3t=t3时,Φ2电极处于高电平,而Φ1电极处于低电平,故电荷聚集到Φ2电极下,实现了电荷从Φ1电极下到Φ2电极下的转移。
4同理可知,t=t4时,电荷包从上一位的Φ1电极下转移到下一位的Φ1电极下。
因此,时钟脉冲经过一个周期,电荷包在CCD上移动一位。
3.电荷注入
在CCD中,电荷注入的方法很多,归纳起来可分为光注入和电注入两类。
(1)
光注入
当光照射CCD硅片时,在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对,其多数载流子被栅极电压排开,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷,光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。
图2.5所示为背面照射光注入的示意图,CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。
光注入电荷为电注入电荷为:
图2.5背面照射式光注入
(2.1)
式中,
为材料的量子效率;
q为电子电荷量;
为入射光的光子流速率;
A为光敏单元的受光面积;
为光注入时间。
由式(1.1)可看出,当CCD确定以后,
、
及A均为常数,注入到势阱中的信号电荷
与入射光的光子流速率
及注入时间
成正比。
注入时间由CCD驱动器的转移脉冲周期
决定。
当设计的驱动器能保证注入时间不变时,注入到CCD势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率
又入射的光子流速率与入射光辐射能量的关系为
。
均为常数。
因此,在这种情况下,光注入的电荷量
与入射的光辐射能量
呈线性关系,该线性关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。
原子发射光谱的实测分析验证了光注入的线性关系。
(2)电注入
所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样,将信号电压或电流转换为信号电荷。
电注入的方法很多,这里仅介绍两种常用的电流注入法和电压注入法。
①电流注入法
如图2.6(a)所示,由N+扩散区和P型衬底构成注入二极管。
IG为CCD的输入栅,其上加适当的正偏压以保持开启并作为基准电压,模拟输入信号UIN加在输入二极管ID上。
当φ2为高电平时,可将N+区(ID极)看作MOS晶体管的源极,IG为其栅极,而φ2为其漏极。
当它工作在饱和区时,输入栅下沟道电流为:
(2.2)
式中,W为信号沟道宽度;
为注入栅IG的长度;
μ为载流子表面迁移率;
为注入栅电容,
为输入栅的偏置电压;
经过Tc时间后,Φ2下势阱电荷量Qs为:
(2.3)
可见这种注入方式的信号电荷
不仅依赖于
和
,而且与输入二极管所加偏压大小有关。
因此,
与没有线性关系。
②电压注入法
如图1.6(b)所示,电压注入法与电流注入法类似,也是把信号加到源极扩散区上,所不同的是输入栅IG电极上加与2同位相的选通脉冲。
其宽度小于的脉宽。
在选通脉冲的作用下,电荷被注入到第一个转移栅2下的势阱里,直到阱的电位与N+区的电位相等时,注入电荷才停止。
2下势阱中的电荷向下一极转移之前,由于选通脉冲已经终止,输入栅下的势垒开始把下面的势阱分开,同时,留在IG下的电荷被挤到2和N+的势阱中。
由此而引起起伏,不仅产生输入噪声,而且使信号电荷Q与
线性关系变坏。
这种起伏,可以通过减小IG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。
电压注入法的电荷注入量Q与时钟脉冲频率无关。
4.电荷检测
在CCD中,有效地收集和检测电荷是一个重要问题。
CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合,而在输出端则不可避免。
因此,选择适当的输出电路可以尽量地减小时钟容性地馈入输出电路的程度。
目前CCD的输出方式主要是电流输出。
如图2.7所示,由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化,直流偏置的输出栅OG用来使漏扩散和时钟脉冲之间退耦,由于二极管反向偏置,形成了一个深陷信号电荷的势阱,转移到电极下的电荷包越过输出栅,流到深势
阱中。
若二极管输出电流为ID,则信号电荷为:
(2.4)
由于
的存在,使得A点的电位发生变化。
注入二极管中的电荷量
越大,
也越大,A点电位下降的越低。
所以,可以用A点的电位来检测注入到二极管中的电荷
2.3CCD的特性参数
1.转移效率和转移损失率
电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。
定义为一次转移后,到达下一个势阱中电荷与原来势阱中的电荷之比:
(2.5)
如果转移损失率定义为:
(2.6)
则转移效率η损失率ε关系为:
(2.7)
影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。
为此,常采用“胖零”工作模式,即让“零”信号也有一定的电荷。
图.8给出两种不同频率下,电荷转移损失率与“胖零”电荷之间的关系。
2.驱动频率f
(1)驱动频率下限。
为了避免由于热产生的少数载流子对干注入信号的干扰,注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间,必须小于少数载流子的平均寿命τ,即t<
τ
在正常工作条件下,对于三相CCD,t为:
,故得到:
(2.8)
可见,工作频率的下限与少数载流子的寿命有关。
(2)工作频率的上限。
当工作频率升高时,若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间t大于驱动脉冲使其转移的时间,那么,信号电荷跟不上驱动脉冲的变化,将会使转移效率大大下降。
为此,要求
,即电荷转移时间对上限频率的要求为:
(1.9)
由于电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和温度等因素有关,因此,对于相同的结构设计,N沟道CCD比P沟道CCD的工作频率高。
第3章应用简述
3.1CCD的应用领域
CCD器件广泛应用于以下几个方面:
(1)计量检测仪器:
工业产品尺寸、位置、缺陷的非接触测量、距离测定等;
(2)生产过程自动化:
自动售货机、自动搬运机、监视装置等;
(3)光学信息处理:
光学位子识别、标记识别、图像识别、传真、扫描等;
(4)军事科学:
导航、跟踪、侦查等。
图3.1所示为线阵CCD在扫描仪中的应用。
光源发出的光经扫描对象反射后,通过透镜在线阵CCD上成像,CCD输出电信号反映了扫描对象的亮度信息,经放大、A/D转换和编码后成为数字信号输出。
3.2典型CCD芯片
1.典型线阵CCDTCD1209D
1.TCD1209D的基本结构
图3.2
TCDl209D为典型的二相单沟道型线阵CCD图像传感器,其基本结构、工作原理及驱动电路等都具有典型性。
其原理结构如图3.2所示。
2.TCD1209D的基本工作原理
TCD1209D的驱动脉冲波形如图3.3所示。
它由转移脉冲SH、驱动脉冲CR1和CR2、复位脉冲RS和缓冲控制脉冲CP等5路脉冲构成。
转移脉冲SH的高电平期间,驱动脉冲CR1必须也为高电平,而且必须保证SH的下降沿在CR1的高电平上,这样才能保证光敏区的信号电荷并行的向模拟移位寄存器的CR1电极转移。
完成点和转移后,SH变为低电平,光敏区与模拟移位寄存器被隔离。
在光敏区进行光累积的同时,模拟移位寄存器在驱动脉冲CR1和CR2的作用下,将转移到模拟移位寄存器的CR1电极里的信号电荷向左转移,在输出端得到被光强调制的序列脉冲能够输出,如图3.3中所示的OS信号。
图3.3TCD1209D的驱动脉冲波形
3.TCD1209D的特性参数
1)光谱响应特性
光谱响应特性曲线如图3.4所示。
光谱响应的峰值波长为550nm,
短波响应在400nm处大于70%(实践证明该器件在300nm处仍有较好的响应),光谱响应的长波限在1100nm处。
响应范围远远超出人眼的视觉范围。
2)灵敏度
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下器件的输出信号电压,即:
(3.1)
式中的
为线阵CCD输出的信号电压,
光敏面上的曝光量。
当然,器件灵敏度参数还常用器件输出电压饱和时光敏面上曝光量表示,称为饱和曝光量,极为SE。
SE越小的器件,其灵敏度越高。
TCD1209D的饱和曝光量SE仅为0.06(
)。
3)动态范围
动态范围参数
定义为饱和曝光量与信噪比等于1时的曝光量之比。
但是,这种定义的方式不容易计量,为此常采用饱和输出电压与暗信号电压之比代替。
这样,动态范围
为:
(3.2)
式中
为CCD的饱和输出电压,
为CCD没有光照射时的输出电压(暗信号电压)。
显然,降低暗信号电压是提高动态范围的最好方法。
动态范围越高的器件品质越高。
4.TCD1209D的驱动电路
由TCD1209D驱动脉冲波形图中可以看出,TCD1209D的驱动器应产生SH、CR1、CR2、RS、CP等5路脉冲。
其中转移脉的周期远远大于其它4路脉冲的周期。
按照图3.3所示驱动脉冲的要求,驱动电路可用现场可编程逻辑器件(FPGA)进行设计。
FPGA的内部逻辑电路如图3.5所示。
将图3.5所示的驱动脉冲产生电路产生的各脉冲送给图3.6所示的TCD1209D的驱动电路,TCD1209D即可输出图3.3所示的OS视频信号。
显然,转移脉冲SH的周期靠
在N位二进制计数器的位置改变的,及驱动积分时间可由选区不同的
与
值进行改变。
但是对于TCD1209D来说,最短的积分时间必须大于2088
从图3.6中可以看出,TCD1209D器件使用5V的脉冲驱动的(采用74HC04为驱动器),OS输出信号经PNP型三极管构成的射极电路输出,因此该电路的
输出阻抗很低。
5.TCD1209D的外形尺寸
TCD1209D为DIP22封装形式的双列直插型器件。
外形尺寸:
器件的外形尺寸为总41.6mm,宽10.16mm,高7.7mm;
器件的光敏单元总长为28.672mm;
光敏单元(像敏面)距离器件表面玻璃的距离为1.72mm,表面玻璃的厚度为0.7±
0.1mm。
图3.7TCD1209D的外形尺寸图
第4章小结
CCD是一种光电转换式图像传感器。
现代图像采集技术发展迅速,各种采集方法已经相当成熟。
CCD是于1969年由美国贝尔实验室(BellLabs)的维拉·
波义耳(WillardS.Boyle)和乔治·
史密斯(GeorgeE.Smith)所发明的。
当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。
将这两种新技术结合起来后,波义耳和史密斯得出一种装置,他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge"
Bubble"
Devices)。
这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆装置,当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。
但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷,而组成数位影像。
到了70年代,贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生。
有几家公司接续此一发明,着手进行进一步的研究,包括快捷半导体(FairchildSemiconductor)、美国无线电公司(RCA)和德州仪器(TexasInstruments)。
其中快捷半导体的产品率先上市,于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。
本文仅仅涉猎CCD宝库中的一角,最简单的介绍了CCD的某些方面,并未深入的、系统的学习并记录有关CCD的内容。
参考文献:
1.王庆有.图像传感器应用基础.北京:
电子工业出版社,2003
2.郭爱芳,王恒迪等.西安:
西安电子科技大学出版社,2007
3.王煜东.传感器——应用电路400例.北京:
中国电力出版社,2008
4.
5.
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