第六章电荷耦合器件CCD讲解ppt课件.ppt

第六章 电荷耦合器件CCD,6.1 概述6.2 CCD单元和线阵列结构6.3 电荷耦合器件物理基础6.4 CCD基本工作原理6.5 电荷耦合器件的特征参数6.6 应用,概述,6.1 概述及应用,电荷耦合器件简称为CCD( Charge Coupled Device)一种固体平面成像器件。基本功能是电荷的存储与转移。,体积小、重量轻、结构简单、功耗小、成本低、传输快、噪声小。,特点:,1 Al,2 SiO2,MOS电容的结构示意图,栅极,1、MOS电容器，即金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)电容器，由P型（或N型）Si层、SiO2层和金属层构成。2、两个引出电极，两个极板分别由金属和半导体构成。金属上的电极称为栅极，半导体衬底上的电位一般加0伏。3、MOS电容器工作时，在栅极和半导体衬底之间加有栅极电压Vg。,一、 MOS的结构,P(Si),6.2 CCD单元与线阵列结构,a) CCD单元 b) CCD线阵列 CCD在结构上是许多小MOS电容器的集成。,二、 CCD线阵列结构,6.3电荷耦合器件物理基础,在金属层上施加正电压， 表面势Vs为正。空穴耗尽层 Vs随耗尽区的形成而升高，耗尽区深度随着栅极电压的升高而不断变宽。这种状态就是多数载流子的耗尽状态。在耗尽区，空穴的浓度几乎为零。,MOS电容器中多数载流子耗尽状态,当Vg进一步增大时，耗尽区达到深度耗尽状态。在表面处形成势阱（位阱）,形成了对电子的收集能力。 这种状态就是载流子的反型状态。,载流子的反型状态,反型状态开始时的栅极电压为阈值电压Vth注意：耗尽状态为非稳定状态，此时VgVth ；反型状态为稳定状态，此时VgVth 。,结论:在深耗尽状态下，可进行电荷存储。,三、CCD器件的工作条件及要求,每个CCD单元都是一个MOS电容器，所以它能储存电荷。CCD的工作条件： MOS电容器处于没有达到反型状态前的深度耗尽状态。CCD的工作要求： 信号电荷的存储时间小于热激发电子的存储时间，t 0.1s,CCD电荷的注入,注入方式：光注入：光生电荷构成光信号电流；电注入：电注入直接输入信号电流，既可以是数字模拟处理系统的输入信号，也可以是其他光电器件的光电信号。方式一是当用作信息存贮和处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷；方式二是当用作拍摄光学图象时，通过光电转换系统把光学图象的照度分布转换成电荷分布，然后通过输入端注入到每一位势阱中。,6.4 CCD器件基本工作原理,CCD电荷的耦合,在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出来，这一过程叫做电荷耦合（转移）。它是靠在时钟脉冲作用下不断改变各个电容器的栅极电压，以电荷耦合方式实现的。,基于势阱的有无和深度都取决于栅极的电位，通过不断地改变各栅极上的电位值，使栅极下势阱底抬高或降低，实现其中电荷包有规则、可控制地传输，直到输出端。,6.5 电荷耦合器件的特征参数,转移效率电荷存储能力暗电流噪声,转移效率,=Qn+1/Qn Qn+1转移到下一个势阱中的电荷数，Qn原势阱中的电荷数原势阱剩中的电荷数Qn+1 Qn转移损失率=（ Qn+1 Qn ）/Qn转移损失率为若电荷包转移了n次，总的转移效率为,暗电流,暗电流的根本起因在于半导体的热激发。暗电流的危害有：限制器件驱动频率的低频限。引起固定图像噪声。措施：完善工艺，提高晶体质量和降低工作温度。,噪声,CCD器件的噪声源主要有以下几类：本征噪声：包括与电荷存贮和转移有关的噪声，如暗电流噪声、转移噪声、体陷阱噪声；外来噪声：是与操作、输入和输出有关的噪声，如电荷注入和输出噪声等。散粒噪声：热激发和光激发引起的噪声。,用于小尺寸测量,光路部分,测量系统组成,6.6 应用,2大尺寸测量,被测对象长度L,3微光测量中的应用,用于微光测量,4.钢板表面缺陷在线检测应用,系统主要由CCD 相机、光源(LED线型光源)、并行计算系统、服务器和控制台组成检测缺陷的尺寸、部位、类型、等级。面阵相机适用于低速运动的钢板生产线检测，通常速度低于10m/s。高速扫描的线阵相机可以检测速度为30m/s的钢板。,5 用于光学文字识别装置,本章重点,CCD单元和线阵列结构电荷耦合器件物理基础CCD基本工作原理电荷耦合器件的特征参数,本章作业,CCD单元和线阵列结构如何？CCD基本工作原理如何？电荷耦合器件的特征参数。电荷耦合器件物理基础。,