光电成像器件81节.pptx

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Φs—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Φs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 Φs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① 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。② 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。③ 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3μm。④ N型沟道CCD—以电子为信号电荷的CCD。⑤ 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 ⑴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⑵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⑶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⑴二相硅-铝交叠栅结构图8-9 二相硅-铝交叠栅结构⑵阶梯状氧化物结构 图8-10(a) 第一种工艺的结构光学系统1被测物图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。两层金属中间沉积物两层铝电极用氧化铝绝缘多晶硅-金属交叠栅结构图8-11 四相CCD电极结构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=η q Neo A t c （8-2）式中：η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。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；μ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，