图像传感器检测系统硬件原理.ppt

6.1 固体图像传感器检测技木,第六章 图像传感器检测系统,电荷耦合器件,电荷耦合器件(chargeCoupled Devices)简称 CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。,CCD作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。特别是在摄像领域，作为二维传感器件，CCD与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿命等优点。,广播级电视摄像机中，CCD摄像机可与真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面，CCD摄像机则呈现出“一统天下”的趋势。在工业、军事和科学研究等领域中的应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别等方面更呈现出其高分辫力，高准确度，高可靠性等突出优点。,图像传感器实际上只能记录光线的灰度，也就是说，它能记录光线的强弱，但却没有办法分辨颜色，而我们最需要的却是光线的颜色。目前CCD主要的解决方式是在每一个光电二极管上都采用了滤光器，使对应的光电二极管只能记录相应单色光。,各种单色分别被相邻的光电二极管记录下来，生成的图像颜色是分离的，最后还需要通过一些处理过程把这些数值合成为彩色的图像。数码相机里面，这个处理过程称之为插值。通常的做法是计算1个像素周围8个像素的颜色值，然后根据它自身所记录的颜色值，结合计算出最终像素的混合颜色值。,CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景,由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。具不完全统计，1997年1998年仅中国大陆彩色和黑白CCD摄像机的用量就达60-70万台，这些产品大多数来自国外或者由台湾地区和国内组装。从1998年日本出版的技术市场杂志获悉,世界上已把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品.据国外专家统计,1997年CCD世界市场规划为16亿美元,而实际上1997年为50亿美元,1998年为65亿美元.日本松下公司对CCD摄像机的世界市场进行了统计和预测,如表1所示。,一、概述,由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。,一、概述,CCD传感器有两种第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等，另外还有大靶面如20482048、40964096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光可见光近红外光3-5m中红外光8-14um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品,并广泛应用于各个领域。,CCD摄像机应用领域的发展趋势1、CCD摄像机的应用领域 CCD摄像机应用领域在不断的扩展，应用技术的深化又促进CCD摄像机的多样化产品的生产。总体有MOBILE、PUBLIC、HOME三个方面，其中有：,（1）Camcorder摄录一体化CCD摄像机。从中国电子工业部市场预测数据获悉，2000年需求量可达150万台。（2）TV phone据资料介绍，有些移动电话公司正在研发可带视频图像摄入和显示的手机即大哥大。,（3）PC camera到21世纪初叶，随着电脑网络系统的发展，PC Camera作为电脑前端和图像输入系统，CCD摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面，也会很快进入家庭。借助电脑网络，实现音、视频同步远程通讯。预计到2000年，我国PC机年销量将为1056万台，仅按计算机配套率20%估算，PC camera的需求量将为211.2万台。,（4）Door phone随着住宅商品化，各种现代化住宅楼像雨后春笋般拨地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上来，许多住宅可在室内及时地看到来访客人的实时图像和室外局部区域的情况，也为防范坏人入室作案起到有效的监控作用。,（5）Scanner由于计算机网络的普及，所以为了提高各种资料、文字的输入速度，可采用各种扫描仪，读取经过文字识别的资料，可将读入的文字资料转换成文件存入计算机进行编辑，以便在网络上交流。按PC机配套率10%计算，可需线阵和面阵CCD传感器105.6万台。,（6）Bar Code Register（BCR）条形码记录器在各种商业流通领域如商场、仓储连锁店等普遍采用。条形码物品记录识别系统与计算机联网可随时取得各种数据。（7）Medical医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统，可以实现人体显微手术，减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。,（8）Vehicle Camera在各种车辆中加装CCD摄像机可以使驾驶人员借助车内CCD摄像机、车上的后视镜系统和驾驶员前面的显示器，不仅可随时看到车内的情况，而且可在倒车时观察后面的道路情况，在向前行进过程中也能随时看到后方车辆所保持的距离，提高了行车安全。,（9）Closed Circuit Television（CCTV）CCTV是近几年被大家广泛注意的电视监控系统，目前，已发展成为一种新的产业。以CCD摄像机为主要前端传感器，带动了一系列各种配套的主机和配套设备以及传输设备的研制和生产企业。,（11）Personal Data Assistant（PDA）个人数据秘书系统是一种体积小于笔记本的电脑，是功能齐全的计算机系统，可以完成多种数据管理功能，并可借助移动电话上的Internet网进行远程传送资料、发传真等。,（12）Digital Signal Camera（DSC）数码照相机是近两三年投放市场的一种新型照相机。由CCD传感器采集的图像信号经过数字处理后，可被记录在磁卡上，由计算机读取磁卡上的图像数据再现出图像，并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。,1 CCD的物理基础,CCD是基于 MOS(金属氧化物半导体)电容器在非稳态下工作的一种器件。因此，必须了解 MOS电容器的稳态和非稳态工作及其与 CCD的关系。,1.1 稳态下的 MOS电容器(一)理想 MOS系统 MOS结构如图13l所示。在硅片上，生长一层 SiO2层 F，厚度为dox 再蒸镀上一层金属铝作为栅电极。硅下端制成欧姆接触，便构成一个 MOS二极管或 MOS电容器。VG为加在栅电极上的偏压，当栅电极对地为正时，则 VG为正；反之，VG为负。,半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为 P型硅衬底和 N型硅衬底，它对应不同的沟道形式，由于电子迁移率高，所以，大多数 CCD选用 P型硅衬底。下面以 P型硅衬底 MOS电容器为参照进行说明。,MOS电容器的状态是随栅极电压 VG的变化而不同的。在 VG为零时，Si表面没有电场的作用，其载流子浓度与体内一样。Si本身呈电中性，电子能量从体内到表面都相等，所以能带是平坦的，不存在表面空间电荷区。这种状态称为“平带状态”。,当在栅极加上电压，即 VG不为零时，Si表面的电荷和电势分布可通过求解下面的泊松方程式得到：,式中，为电荷密度；为硅的介电常数。下面分三种情况讨论：,1 VG 0的多数载流子积累状态当在金属栅极上加上直流负偏压，即 VG 0时，电场使 Si内一部分可移动空穴集中到 SiSiOz界面，在 Si表面形成多数载流子积累层。这种状态称为“积累状态”。当达到热平衡时，VG的一部分降落在 SiOz层内，其余部分将作用于半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs 0，则-eVs 0，表面处能带向上弯曲，从而导致表面附近的价带中比体内有更多的空穴，使表面呈现强 P型。,为了保持 MOS系统的电中性条件，金属栅极上的负电荷与半导体积累层中的正电荷正好相互补偿。但金属的费米能级与半导体的费米能级并不 相等，即EFM EFS，其差值正好是 VG与电子电荷的乘积。若此时在 VG上叠加交流小信号时，积累在界面处的空穴数将相应于交流信号的变化而变化。,交流响应的时间为。，这里是硅电阻率。硅的响应时间 约为10-12S所以，积累状态下可将半导体衬底同金属板一样对待，则每单位栅面积下的 MOS电容为式中，ox为 SiOz的介电常数。,2 VG 0的多数载流子耗尽状态 当在栅电极上加上 VG 0的小电压时，P型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在 Si表面处留下一层离化的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”。这种情况相当于 MOS电容器充负电。可将空间电荷区中的负电荷密度写为,但由于是 P型村底，故 ND0；在耗尽时，空间电荷区中p(x)NA,空间电荷区中的电子浓度n(x)NA,所以，在耗尽近似下，上式可简化为,该充电区域(空间电荷区)称为耗尽层。此时表面势 VS0，则-e VS0，表面处能带向下弯曲，如图所示。由于能带弯曲，越接近表面，费米能级 EFS与价带顶E+的间隔越大，构成空穴势垒，表面处空穴浓度比体内少，甚至于完全没有空穴，即多子从表面耗尽。,耗尽层中的电势分布可通过求解泊松方程得出，即用 xxd处，V0,即体内电势为零，及dV/dx0的边界条件求解上式，得,式中，xd为耗尽层厚度，坐标原点取在 SiSiO2界面上。,当 x0时，表面势如下由此可求得耗尽层厚度为空间电荷区内单位面积的电荷量为,界面处的电场为,栅电压 VG为 SiO2中的电压降和表面势之和当栅电压有微小变化 VG时，有,栅电极中的电荷量与硅中的电荷量大小相等，符号相反。若 VG引起电极上电荷量的变化为Q，则,写成电容形式，即有(13一16)式中，为耗尽层电容。从上述各式可得到栅电容与栅电压 VG的函数关系如下(13一17),表面势的概念对理解电荷耦合器件工作原理是很重要的，由 可知，在一定的掺杂浓度下，表面势 VS与栅极偏压VG有关，因为 xd与 VG有关。,3 VGVth0的反型状态 在上述基础上正电压 VG进一多增加，表面处能带相对体内进一步向下弯曲，当 VG超过某一阈值时，将使得表面处禁带中央能级Ei降到EFS以下，导带底E-离费米能级置EFS，更近一些。这表明表面处电子浓度超过空穴浓度，已由 P型变为 N型。这种情况称之为“反型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导体内部之间还夹有一层耗尽层。,反型状态可分为弱反型和强反型两种情况。当表面势 VS增加到正好等于体内费米势F 时，在表面EF达到Ei，表明表面处电子浓度开始超过空穴浓度。这种情况称为“弱反型”。,所谓强反型状态定义为表面处反型载流子浓度ns已达到体内多数载流子p0的浓度，即ns p0表面处电子浓度可写为,式中，no和p0分别为 p型半导体内热平衡时的电子浓度和空穴浓度。,通常发生强反型的条件写成,从式中可以看出，半导体衬底掺杂浓度 NA越高，半导体表面越不易反型。,在强反型状态下，表面处电子浓度随VS增加呈指数地增长，而VS随耗尽层宽度 xd呈二次函数增加。因此，一旦出现反型层，即使提高栅电压，使栅极的正电荷进一步增加，但由于反型层中的电子也增加而维持平衡，结果耗尽层宽度几乎不变，即达到耗尽层宽度最大值。可得,该式也表明在一定温度下，NA越大，则xdmax越小。聚集在反型层中的电子由耗尽层中的热激发产生的电子空穴对供给。由于这种机构产生比较缓慢，即使在直流电压上叠加上小的交流电压，反型层的电子数也不能响应这种交流变化。所以在强反型状态下，耗尽层达到最大宽度 xdmax而且不随 VG而变化，MOS电容将达到极小值并大致保持恒定。,在 MOS结构中，表面出现强反型状态时对应的外加偏压 VG称为阈值电压(又叫开启电压)，常用 Vth表示。,从图中的能带看到，对表面反型层的电子来说，一边是 SiO2绝缘层，它的导带比半导体高许多。另一边是弯曲的导带形成的一个陡坡，其代表由空间电荷区电场形成的势垒。,所以，反型层中的电子实际上是被限制在表面附近能量最低的一个狭窄区域。因此，常称反型层为沟道。P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所以称为 N沟道。反之，N型半导体称为 P沟道。,2 CCD的工作原理和结构,CCD是一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列，它具有存储和转移信息的能力，故又称为动态移位寄存器。为了了解 CCD的工作原理，必须了解MOS电容之间的耗尽层耦合。,2.1 耗尽层耦合,考察两个间隔较大的 MOS电容器，在两个金属栅极之间没有被金属覆盖那部分的氧化物下的表面势，将由氧化层上面的情况、固定氧化物电荷 Qf及衬底掺杂浓度等确定。,在这种情况下，不可能使一个 MOS电容器中存贮的信息电荷转移到另一个 MOS电容器中。,当两个金属栅极彼此足够靠近时，其间隙下的表面势将由两个金属栅极上的电位决定，从而就能够形成两个 MOS电容器下面耗尽层的耦合，使一个 MOS电容器中存贮的信号电荷转移到下一个 MOS电容器中去.,CCD能否成功地工作，首先决定于金属电极的排布情况。为了找出最佳的间隙宽度，必须对各种尺寸的器件求解二维泊松方程并给出表面势作为间隙的函数曲线。,从所得结果看，为保证表面势不形成高的势垒，间隙宽度g应小于3m。如果g等于3 m，势垒基本消失。g3 m时边缘效应还可以加速电荷的转移。上述模型中取dox03 m，但实际中常采用dox 0.1 m。这样，要实现相邻 MOS电容的势阱良好耦合，必须要求间隙里g1 m。,2.2 CCD的工作原理,当 CCD工作时，可以用光注入或电注入的方法向势阱注入信号电荷，以获得自由电子或自由空穴。势阱所存贮的自由电荷通常也称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传递出去，即进行电荷的转移。,CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。为此，MOS电容器列阵上所加的电位脉冲必须严格满足相位时序要求，使得任何时刻势附的变化总是朝着一个方向。,如图所示，当电荷从左向右转移时，在任何时刻，当存贮有信号电荷的势断抬起时，与之相邻的右边的势阶总比该势断深，这样才能保证电荷始终朝右边转移。,通常在 CCD的 MOS列阵上将几个相邻的 MOS电容器划分为一个单元而无限循环，每一单元称为一位。将每一位中对应位置上的电容栅极分别连在各自共同的电极线上，称之为相线。如图1310(a)中所示，三相 CCD中 l、4、7为一共同相线，2、5、8及3、6、9分别为另外二个共同相线。可见，一位 CCD中包含的电容器个数即为 CCD的相数，或者说每相线连起来的电容器的个数即为 CCD的位数。,图中给的是 N衬底 P沟道情况，而对 P衬底 N沟道情况，只需将所加电压反极性即可。上述这种 P沟道情况，因其必须加负极性栅压，且空穴的迁移率低，故除特殊用途外，通常大多都是使用N沟道 CCD。,CCD中信号电荷的转移还必须沿确定的路线。所以，在工艺设计时必须考虑好沟道与沟阻。电荷转移的通道称为沟道。而限定沟道的部分称为沟阻，根据前边的讨论，在相同 VG下，NA越高，Vs越低。所以可以在设计为沟阻的部位做更高掺杂，形成沟阻，从而确定沟道。,23 CCD的基本结构,1转移电极结构 转移电极结构通常按照每位采用的电极相数来划分。对于普通结构的 CCD，为了使电荷包单向转移，至少需要三相。对于特殊结构的 CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。,(l)三相电极结构(三相 CCD)三相 CCD的结构使电荷定向运动，采用对称电极结构，三相 CCD是最简单的电极结构。因为在某一确定的时刻，对存贮有电荷的电极而言，两个相邻电极，需要一个被“打”开，另一个保持“关”闭，以阻止电荷倒流。通常这种电极结构有三种形式：,三相单层铝电极结构：它是一个完整的三相 CCD单层铝电极结构。是在轻掺杂的硅衬底上先生成一层0.1m的 SiO2，而后在 SiO2上蒸发一层铝，采用光刻工艺形成间隙很窄的电极。这种结构存在明显的缺点。电极间隙处 SiO2表面裸露在周围气氛中，有可能沾污 SiO2表面，造成表面势不稳定，影响转移效率。,三相电阻海结构：为得到封闭的电极结构，采用的方法之一就是引用硅栅结构。在氧化物层上沉积一层多晶硅，然后按要求对电极区域选择掺杂(硼或磷)，形成三相电极形状，电极间互连和焊接区采用蒸铝来实现。,这种结构是封闭式，性能稳定，成品率高。但由于光刻和多晶硅定域掺杂难以保证电极间高阻区很窄，使得每个单元尺寸较大，这样的结构仅用于小型列阵器件。而且电极低阻区的电阻率必须合适，既要低得足以使电势能跟随时钟波形的变化，又不能产生过大的功率耗散，这是难以掌握的困难问题。,三相交叠硅栅结构：三相交叠硅栅结构是常用三相交叠电极结构形式。电极间窄间隙，又封闭的电极结构。三相交叠电极可以是多晶硅，也可以是铝金属，或者两种混用。,三相交叠硅栅的形成工艺是，先在硅表面生成一层高质量的氧化物，跟着沉积一层多晶硅，掺杂后按规定图案光刻出第一组电极；而后再进行热氧化，形成一层氧化物，再沉积多晶硅、掺杂，第二次光刻出第二组电极；第三组电极形成方法与第二组电极相同。,栅介质层也可采用复合介质层，如 SiO2-氮化硅。若采用铝栅，则用阳极氧化法来形成电极间的绝缘层。这种结构可得到小至几百纳米的电极间隙，单元尺寸也小，沟道又是封闭式的，因而受到欢迎。,为了发挥各类 CCD结构的最佳性能，对时钟脉冲有一定的要求。对三相时钟脉冲有三点要求：三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠区内，电荷电源势阱与接收势阱同时共存，以保证电荷在这两个势阱间充分转移；时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面处于耗尽状态；时钟脉冲幅度选取适当。,(2)二相 CCD电极结构为使 CCD能在二相时钟脉冲驱动下工作，电极本身必须设计成不对称性，在这种不对称电极下产生体内势垒，保证电荷能定向运动。,实现不对称电极结构，可利用同一电极下不同氧化物厚度台阶和离子注人来产生体内势垒，,二相多晶硅栅极结构。二相时钟方法在结构上和时钟驱动上都很简单。但它也有缺点，即因为厚氧化层下面是阻挡势垒，不能存贮电荷，加之势阱势垒差减小，所以，能够存贮在势阱中的信号电荷量比三相时钟情况少。,二相 CCD结构可以采用 l（1/2）工作模式驱动，即一个栅电极加一定的直流偏压，另一个栅电极加时钟脉冲。虽然这种工作模式比一般的二相方式的时钟脉冲摆幅要大些，但驱动的外围电路可以简化，受到用户欢迎。,(3)四相 CCD电极结构奇数电极位于厚 SiOz上，偶数电极位于薄SiOz上。因此，即使在同一栅电压下，偶数电极下面的耗尽层要深一些。,四相 CCD工作状态与三相器件、二相器件相比，较为适合于工作时钟频率很高的情况(如100MHz)，此时驱动波形接近正弦波。,除了上述三种电极形式 CCD外，还有一种虚相 CCD结构形式。这种形式可以看作是二相 CCD的 l（1/2）工作驱动模式的推广，即把保持直流电压的电极不做在栅氧化层上面，而是在栅氧化层下硅表面上注入一浅的 P型层作阈值位移用。只要注入剂量足够大，则不管栅压为正为负，表面势将始终钳位在零，故其上有无电极已无所谓。实际上是堆积在表面的薄空穴层对下面的埋沟起着“虚”栅的作用。这样驱动虚相 CCD实际上只要一个时钟相脉冲，从而将大大地简化驱动电路。,以上的讨论也告诉我们，器件驱动电路的简化是以器件内部结构的复杂化为代价而得到的。,2转移沟道结构 CCD的电荷转移沟道有两种形式，即表面沟道和体内或埋沟道形式。前者称为表面 CCD，简记为 SCCD；后者称为埋沟 CCD，简记为 BCCD。前面介绍的原理都是表面 CCD的，因此，这里只介绍埋沟CCD。,表面 CCD存在如电荷转移速度和转移效率低等问题。其主要原因是受表面态和迁移率的影响。在 Si和 SiO2界面处的表面态，能够接受电荷包中的电子，也能向电荷包发射电子。,当电荷包转移时，空的界面态从沟道中获得电子，如果它能很快地把这些电子释放出来，随原电荷包一起前进，将不影响转移效率；,但若释放慢，则电子将进入后续的电荷包，造成信息损失。为了避免表面态的这种影响，将电荷转移沟道做在体内，从而形成埋沟 CCD。,埋沟 CCD的原理如图所示。设衬底为 P 型，在硅的表面注入杂质，如磷，典型浓度为1012cm2：使之形成 N型薄层。在 N型层的两端做上 N+层，起源和漏的作用。,设开始时，VG0，N+区加上足够的正偏压，并取衬底为零电位，这样栅极相对于 N层为负，于是在 N区形成场感应耗尽层(电子耗尽)，其厚度为dl，同时由于 N和 P之间施以反偏压，故形成体内耗尽层，其厚度为 d2十d3。,d2和 d3分别为耗尽层扩展到 N区及 P区的部分。d2 d3 随偏压的升高而增大。但当d2 同d1相接触时，N区全部电离，d2不能再增加。若设d1同d2的交界线为 z，则在极限情况下，Vz不随偏压而改变。,埋沟 CCD的能带图。从图中可以看出最低势能不在界面处，而是在体内。此处能够收集电子，作为电子通道。当通道内有自由电荷时，势能发生变化。,埋沟 CCD与表面 CCD电荷转移机理的区别在于：前者携带信息的电子是 N层中的多子，而后者则是 P层中的少子；表面 CCD中的信号电荷集中在界面处很薄的反型层中，而埋沟 CCD的信号电荷集中在体内的 z平面附近。,如果施以正的栅压，则势能曲线下降，且 P区耗尽层加宽。,典型的埋沟 CCD结构如图1325所示。它的输入与输出部分与表面 CCD相似。,埋沟 CCD在性能上则至少在以下几点上优于表面 CCD：因信号电荷在体内存贮和转移，避开了界面态俘获信号电荷的不良影响，所以转移损失率较小，一般比表面 CCD小 1一2个数量级。,由于各栅电压间具有较强的耦合，这种耦合随沟道加深而变强，从而增加了边缘电场。另外，硅体内迁移率比表面迁移率高约一倍，因此埋沟 CCD的工作频率较高，已证实在135MHz的时钟频率下仍可工作。,埋沟 CCD的最大优点是噪声低。这种低噪声和高传输效率相结合，可使埋沟 CCD成为低照度下较为理想的摄像器件。,3输入、输出结构 典型的 CCD的输入、输出结构如图所示。在 CCD的主体两端分别加上输入二极管(ID)和输入栅(IG)构成电荷的输入结构，输出控制栅(OG)和输出二极管(OD)构成电荷的输出结构。,(l)信号电荷的注入 表面 CCD的信号电荷注人有光注入和电注入两种形式。作为光注入，只要把光敏区的光敏元栅极施加正电压使栅极下产生耗尽势阱，则光敏区产生的光生载流子被收集到这个势阱中去。当转移栅为高电平时，信号电荷将从光敏区寄存器转移到水平移位寄存器，完成光注入。,所谓电注入，实际上就是对 CCD势阱电容注入电荷。完成这种输入的结构通常是由一个输入二极管，一个或几个输入控制栅构成。其工作模式可以是多种多样，但总的要求是输入线性好，噪声低。常用的方法有动态电流积分法、二极管截止法和电位平衡法等。但在实际中，电位平衡法应用最广泛，所以我们只重点介绍该方法。,电位平衡法是利用输入栅 Gl表面势与存贮栅 G2表面势平衡来获得信号电荷的，如图1327所示。其具体步骤是：,输入栅压Gl保持恒定电压。输入信号加在 G2上，开始时输入二极管加低电位脉冲，此时由于 VG2。VD，故信号电荷注满 G2势断。然后立即升高二极管电位，使之处于强反偏状态。,这样 G2存贮势阱中多余的电荷则向二极管区倒流，直到 Gl下面的表面势同 G2下面的表面势相等为止，,平衡时 Gl下无电荷，G2势阱中的电荷由式从上式可知，电位平衡法注入的信号电荷与两个相邻栅极的电势差成正比，但因 VGl是固定的，所以 Qs同信号电压 VG2成正比。,这样的电荷可以分为信号电荷和衬底电荷，也就是说，注人到势阱的绝对电荷量不代表信号电荷，而电荷量的差值才是信号电荷。这个衬底电荷相当于“胖0”电荷。,电位平衡法不仅线性特性好，有高信噪比，而且信号电荷在转移过程中，不会因界面态及电荷转移不完全而使信号失真。此外，电位平衡法消除了栅注人法所带来的随机噪声。它是目前表面 CCD作为模拟信号处理较理想的输入方法。,(2)信号电荷的输出 信号电荷经输入结构变成大小不同的电荷包后，就在时钟脉冲驱动下沿 CCD沟道转移，很快转移到输出端的最后一个时钟电极下面。如何将电荷包无破坏地检测出来是输出结构的任务。通常 CCD输出信号电荷的检测有电流输出和电压输出两种方式。,电流输出 常用的电流输出结构如图1328所示。采用反偏二极管，外加片外放大器构成输出电路。3下面的电荷包经输出栅 OG后，进入强反偏的扩散层二极管 OD，使之表面势升高。,当复位电压使二极管重新回到原电位时，就有电流流人体外放大管。该方法有较好的线性，但需外接放大器构成大的电容。由于电荷转移到偏置的输出扩散结是完全的电荷转移过程，本质上是无噪声的。影响读出线性和加入噪声的主要是与输出二极管相关的电容大小，及放大器的噪声。,电压输出 常用的电压输出有浮置扩散放大器输出(FDA)和浮置栅放大器输出(FGA)等方式。这里主要介绍浮置扩散放大器输出，其输出结构如图1329所示。,结构中，除输出栅和输出二极管外，还在同一芯片上集成一个复位 MOS-FET(Tl)和一个读出 MOS-FET(T2)。浮置扩散层的输出信号直接送给读出 MOS-FET的栅极。,开始时，扩散层在复位晶体管 Tl的复位电位作用下处于强反型状态。当电荷流人时，扩散层下的表面势升高。升高量为式中，CFD为浮置扩散节点上的总电容。,在上述电路中，T2具有低的输入电容和低的输出电阻。二极管的耗尽层电容随其上的电位而变化下构成非线性因素。这个因素可通过采用小的耗尽层电容来减少。如采用高阻衬底材料和小的二极管面积，或连接一个比二极管大的固定负载电容。,浮置栅放大器输出结构如图1330所示。其特点是，用于取出信号的栅极浮置于沟道上面的氧化层中间，加有固定的偏置电压。当电荷包在浮置栅下通过时，浮置栅上由于电容耦合产生电位变化。,6.2 真空摄像系统,电视型电真空成像原理,电视技术的出现，使人类摆脱了必须面对景物才能观察的限制，从而开拓了一条实时图像传输的技术途径。电视是利用无线电或有线电电子学的方法来传送和显示远距离景物图像的设备。它不仅能超越障碍提供远距离景物的图像，而且能够在大屏幕上显示，其亮度和对比度还可以调节。,一 电视摄像的基本原理,电视摄像过程是将两维空间分布的光学图像转换为一维时间变化的视频电信号。完成这一过程的器件称为摄像管。具体的摄像过程可分为如下的三个步骤：摄像管的光敏元件接受输入图像的辐照进行光电转换，将两维空间分布的光强转变为两维空间分布的电量；,摄像管的电荷存贮元件在一帧的周期内连续积累由光敏元件产生的电量，并保持电荷量在空间的分布。这一存贮电荷的元件称之为靶；摄像管的电子枪产生空间两维扫描的电子束，在一帧的周期内完成全靶面的扫描。逐点扫描的电子束到达靶面的电荷量与靶面贮存的电荷量相关，因此扫描电子束的电流被靶面电荷量所制，从而在输出电路上即可得到视频信号。,二 摄像管的基本原理和分类,为了完成摄像任务，摄像管必须具有图像的写入、存贮过程即输入的光学图像照射在靶面上产生电荷(电位)图像；图像的阅读、抹除过程即扫描电子束从靶面上取出视频信号。,一般摄像管应具有的结构它主要由两大部分组成光电变换与存贮部分信号阅读部分。,1光电变换与存贮部分(1)光电变换部分 将光学图像变成电荷图像的任务是由光电变换部分来完成的。该部分由光敏元件构成。常用的材料有光电发射体和光电导体。,光电发射体。用于像管中的各种光阴极，都可以作摄像管中的光电发射体。光阴极在光照下产生与光通量成正比的光电子流，这既可以利用光电子流进行放大处理，以作为信号输出，也可以利用因光电子发射而提高的光阴极电位作为信号输出。,光电导体。光电导体是目前摄像管中应用最广泛的光电变换材料。这类摄像管的光电变换基于内光电效应的原理。它的光敏面和靶是合而为一的元件。此元件即具有光电变换功能，又具有存贮与积累电荷的作用。该元件称之为摄像管的靶。光电导摄像管简称为视像管。,光电导体的光电变换原理在光电导层上接有数十伏的直流电压，形成跨层电场。当受光照时，靶的电导率升高，由此使正电荷从电位较高的一边流向较低的一边(如图从左到右)。使靶右边的正电荷增加，即电位上升。电位升高量与光照相对应。这样就把人射在光电导左边的光学图像，转换成了右面的电位图像(电荷图像)。,(2)电荷存贮与积累部分 由于光电变换所得的瞬时信号很弱，所以现在摄像管均采用积累元件。它对图像上的任一像元，在整个帧周期内不断地积累电荷信号。因为要积累和存贮信号，所以在帧周期内要求信号不能漏走。因此要求存贮元件应具有足够的绝缘能力。,常用的存贮元件有：二次电子发射积累。在光阴极仅作为光电变换元件的摄像管中，为了实现信号的积累，还必须具有电荷积累和存贮元件，二次电子发射靶就是其中之一。,二次电子发射积累电荷的原理工作时，均匀的光阴极发射出与光通量成比例的光电子，它们在加速场的作用下，以高速轰击二次电子发射靶。由于靶是绝缘体，所以发射的部分将维持正电位，并随着光的继续照射而积累下去，直到阅读时才被取出。,二次电子导电积累。上述的二次电子发射积累，是指二次电子跑出靶层以外，飞向收集极。这样二次电子应该具有较大的能量，或处于较强的电场下才能到达收集极。而二次电子导电型与此不同，其原理如图84所示。,光电子在加速电场的作用下穿过透明的支撑膜和导电膜，轰击二次电子导电层，产生二次电子。二次电子导电层是疏松的纤维状结构。由它所产生的二次电子并不跑出靶外，而仍在层内运动。由于信号板上总加有固定正电压，所以二次电子不断地流入信号板，从而使靶的自由面(左)带上正电荷，电位升高。电位升高量与景物入射照度相一致，在电子束扫描之前，靶电荷将一直积累下去。,电子轰击感应电导积累。利用二次电子发射积累，需要较大的一次电子能量，如果采用电子轰击感应电导积累，则一次电子的能量要节省得多。因为不需要把电子打到体外，只需将其激发到导带。这种积累型式如图85所示，只需把二次电子发射靶换成该靶。,工作时，光电子以高速轰击靶面，使靶电导率增加，由于电导率增加，使得信号板上的正电荷向靶的自由面转移。从而在靶表面上建立起电位图像。阅读时，用慢电子束扫描，使靶面电位恢复到电子枪阴极电位，同时有信号输出。,光电导积累。在这种积累形成中，光电导层既是光电变换元件又是电荷积累元件。其原理如图86所示。,光电导靶是半导体，未接受光照时具有较高的电阻率，通常约为1012cm。在靶的受光表面上是导电的输出信号电极，其上接有数十伏的工作电压。但由于靶的电阻率较高，因此靶的另一表面与工作电压绝缘。当电子束扫描这一绝缘表面时，电子束的电子将到达这一表面。由于电子枪发射电子的阴极电位为零伏，所以靶的绝缘表面电位经电子束扫描后将稳定在电子枪阴极的电位上。因此靶的两个表面间产生了数十伏的电压差。,光电导摄像管工作时，靶面接受光学图像的辐照。当入射光子的能量大于光电导靶的禁带宽度时，就构成本征吸收，使价带中的电子跃迁到导带产生光生载流子。光生载流子的密度分布与输入图像的照度分布一致。因此由光生载流子所产生的电导率变化也与图像照度分布相一致。这一电导率的增加将导致靶的两表面间产生相应的放电电流，因此靶的绝缘面电位随之上升。电位上升的数值对应于该点的输入图像照度值。由于输入的光学图像是连续辐照在靶面上，所以在电子束扫描一帧图像的时间间隔内靶的两个表面间的放电电荷是连续积累的，这表明光电摄像管在摄取一帧图像时，它的靶面通过光电导效应连续放电而形成了电荷图像,2信号阅读部分 从靶面上取出信号的任务是由阅读部分来完成的。阅读部分是扫描电子枪系统。它由细电子束的发射源、电子束的聚焦系统和电子束的偏转系统三部分组成。,细电子束的发射源通常采用间热式氧化物阴极，并带有负偏压的控制栅极、加速电极和电子束限制膜孔。一般间热式的氧化物阴极所发射的电流密度为0.51uA，阴极的电位定为零电位。当控制栅极的负电位增加时，阴极发射的电子束流将受到抑制。因此电子束流可以通过调节控制栅极的负电位来实现控制。加速电极接正电位，以提供电子束连续发射的加速电场。,电子束限制膜孔通常设置在电子束交叉点的后方，膜孔直径为30m左右。膜孔限制了电子束直径，并保持电子束具有较小的发散角，以减小聚焦系统产生的像差。同时也拦截了径向初速较大的电子，以便形成一个扩展小、速度分散小的电子束。,电子束的聚焦系统有静电聚焦和电磁复合聚焦两种类型，后者的像差较小而被广泛采用。电磁复合聚焦系统是由准直电极、场网、长磁聚焦线圈及校正线圈所组成。场网是网状结构的电极，位于贴近靶面处，其作用是使靶面附近形成均匀电场，使电子垂直着靶，减小电子着靶时能量的差异。校正线圈是用来校正电子束的入射方向，以便电子束轨迹与聚焦线圈和偏转线圈的对称轴线一致。,电子束的偏转系统是由两对磁偏转线圈构成，如果采用静电偏转系统则是两对偏转电极。摄像管的电子束偏转角不宜过大，一般要小于10。,2 视频信号的形成 视像管靶的膜层是连成一片的，然而它具有很高的电阻率(1012cm)，以致在扫描面上各点积累的电荷不至于在一帧周期(如 l25s)内泄漏。这样，就可把接收图像的靶面分割成很多像元，按我国的电视制式，一帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻R和电容 C来等效。电容 C起存储信息的作用，电阻R随着光照度的增大而变小，无光照时R为暗电阻Rd，光照后及变为Rc(E)，是与照度E有关的变量。,视像管信号输出等效电路。Ri与 Ci表示第i个像元的电容和电阻，所有像元的左侧通过导电半导体薄膜、铟电极、负载电阻RL与电源相连。视频信号通过 CL输出。,当电子束扫描时，从阴极发射出的电子束，通过场网后进入强烈的减速场，以慢速落到靶的右侧上。由于靶压很低，二次电子发射系数小于 l，因此进入靶的电子比出来的电子多，到一定程度就完全阻止电子继续上靶。这时，靶右侧扫描面的电压将等于阴极电位。也就是使像元电容器 C两端的电位差达到靶压，因此是充电过程。电子束在每个像元上停留的时间即充电时间约0.1us。,下面讨论像元从无光照到受强光照射输出信号的过程。设在无光照时，某一像元的暗电阻为Rd,在被电子束扫瞄以后，电容器开始沿RdC回路放电，但不输出信号电流。靶的外侧B电位固定为靶压 VT;扫描侧 A的电位 VAd随像元电容器 C的放电而从零上升，如图88所示的 a线段，其值为,像元的放电时间近似地等于帧周期Tf即4ms。因此，在下一次电子束对像元扫描以前，在扫描侧 A点电位的最大值,如果暗电阻Rd很大，则 Vad0。,当像元再次扫描时，电流通过束电阻Rb、电容 C、负载电阻RL、靶电源和地，构成回路而向电容器 C充电。在充电过程中，A点电位的变化如图88所示的 b线段，其值,因为Rd通常为10M，而 RLlM，所以 充电电流在 RL上产生电压降 Vd，此电位变化通过电容器 CL输出，称为黑色电平。,当用强光照射时，由于光电导增大而使电阻R变小。在放电过程中，A点的电位上升，如图 88所示的C线段，最高的电位 VAem 等于：而在电子束再一次扫描充电时，电位下降，如d线段所示，其变化为,这样，由于光照产生的有效信号 由此信号电压引起的充电电流在RL上产生电压降 VL，VL被称为白电平。此电位变化将作为由光照产生的信号电压通过 CL输出，即视频信息的白电平。然而，由于电子束对靶的扫描面不断地从左到右，从上到下扫描，因此实际输出的是相对于空间照度分布的、时间序列脉冲的视频信号。,3 摄像管的分类 发展到目前，由于对摄像管的各种不同用途的需要，其种类极为繁多，它的分类方法也很多。通常可按下述方法分类：,1)按电荷积累方式分类 二次电子发射积累型，如超正析摄像管；二次电子导电积累型，如 SEC摄像管；光电导积累型，如各种视像管；电子轰击感应电导积累型；如电子轰击硅靶摄像管。,2)按光电变换形式分类 外光电变换型，它是利用外光电效应变换的光电发射型摄像管，即带光阴极的摄像管。内光电变换型，它是利用内光电效应变换的视像管。,3)按视频信号读出方式分类 信号板输出型，利用上靶的电子取出信号，由于信号板和靶是固定在一起的，故又称为靶输出型。双面靶输出型，利用从靶面反射电子取出信号，故又称为返束输出型。,三 摄像管的主要特性参数,衡量摄像管优劣的