新型传感器c第三章电荷耦合器件.ppt

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1、,精彩图片欣赏（1）,精彩图片欣赏（2）,精彩图片欣赏（3）,精彩图片欣赏（4）,精彩图片欣赏（5）,精彩图片欣赏（6）,精彩图片欣赏（7）,精彩图片欣赏（8）,是谁将美丽留驻,？,第一节 CCD的物理基础 第二节 CCD工作原理 第三节 CCD器件 第四节 CCD的应用,第3章 电荷耦合器件,Charge Coupled DeviceCCD,电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定规律排列的 MOS电容器阵列组成的移位寄存器，在MOS电容器阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。,第一节 CCD的物理基础,可以实现光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以

2、及电子快门等一系列功能。,金属,SiO2,p-Si,VG,1200-1500A,具有以下一些特点：,一般特性：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。,分辨率高：线阵7000Pixel、分辨能力7m，面阵40964096，整机分辨能力1000线以上。,兼容性：任选模拟、数字输出形式，与同步信号、I/O接口及微机兼容，组成高性能系统。,分类：线阵和面阵器件。,光电特性：灵敏度高、动态范围大。灵敏度0.01Lx，动态范围106：1，信噪比6070dB。,一、稳态情况MOS结构的物理性质,VG 0,1、VG0。金属电极上加负电压,2、半导体表面的表面势VS 0，,3、排斥电子、吸引空穴,4、近表面

3、处的空穴浓度增大。,多数载流子堆积状态,VG 0。,MOS状态的定性分析(一),半导体表面内排斥空穴、吸引电子，形成负耗尽区。,耗尽区称为电子“势阱”。,势阱深度就是指耗尽层的厚度。,耗尽状态,在 n型p型之间仍是耗尽层。,MOS状态的定性分析(二),弱反型,VG Vth，,强电场将p中少子吸引到半导体表面。,电子在p型硅表面形成n型薄层，即弱反型状态。,MOS达到稳定状态。,MOS状态的定性分析(三),强反型,VG Vth 继续增大。,界面下电子浓度等于衬底受主浓度(多子浓度)，即强反型状态。,耗尽层的宽度保持其最大值不变。,MOS状态的定性分析(四),强反型,VG Vth，继续增大,反型层

4、内的电子数量增加，达到最大值。,反型层状态的定量分析,表面：MOS结构的衬底与氧化物之间的交界面；,出现“强反型”的条件是表面势VS为：,式中：NA 为p-Si掺杂浓度；ni=(n0p0)1/2；n0、p0体内热平衡时的电子浓度和空穴浓度。,VG,VS,表面势：,表面的电动势,vox,理论上，VGVth就使 MOS结构形成强反型状态，实际中，还应考虑到所谓“平带电压”的存在。,从电路看，表面势VS为,-表面出现反型状态时对应的外加栅压VG,以Vth表示.,Vth=VS+Vox,其中：,VS=VG-Vox,阈值电压：,二、非稳态情况MOS结构的物理性质,动态过程：施加栅压的瞬间，半导体表面的空穴

5、被排斥而形成耗尽区。反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电子空穴对的电子。,从非平衡态的建立开始到达热平衡状态（即稳态）需要一定的时间-存贮时间T。,0：耗尽区少子寿命；ni：本征载流子浓度；NA：受主浓度,达热平衡之前，MOS结构中是空的电子势阱。从表面一直到体内较深处（称深耗尽）。,如果用信号电子QS注入势阱，势阱变浅；当表面势VS下降至两倍费 米电势时，势阱“充满”，不再能吸纳信号电子。,非稳态时，VS大，势阱深。势阱所能容纳的最大电荷量近似为：,QS=CoxVGAd,第二节 CCD的工作原理,1、采用单层单电极，势阱对称。时钟脉冲控制电荷传输方向，防止电荷倒流。,一、CCD的电极结构

6、,若干电极为一组构成一“位”。每位有有独立的驱动时序，称作“相”。电极结构分为二相、三相、四相三类。,2、为使电荷传输，采用交叠电极结构.,三相电极结构：,2、这种二相电极结构减少时钟脉冲相数，电路相对简单。,二相电极结构：,氧化层厚度大或掺杂浓度高的地方势阱浅，氧化层厚度薄或掺杂浓度低的地方势阱深。,1、施加电压后，形成不对称的势阱，,二、CCD的电荷转移,1、三相CCD的电荷转移,2、二相CCD的电荷转移,3、CCD的电荷输出,（1）电流输出方式：,4、输出线性与输出二极管结电容大小有关，输出信噪比取决于体外放大器。,3、电荷转移到输出扩散结本质上是无噪声的。,2、电荷包进入3下后 3从高

7、变低，VOG升高（同时提升了二极管的反向偏压），形成反向电流，通过负载电阻流入体外放大器。,1、构成：输出栅OG、输出反向二极管、片外放大器。,VB,LPF,C,式中，gm为T1栅极与源极之间的跨导。,（2）电压输出方式：,在体外集成复位管T1和放大管T2。,1、在3下的势阱形成之前，加 r，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过T2的沟道抽走。,式中，CFD为浮置扩散节点上的总电容。,所有的单元做在同一衬底上，抗噪声性能比电流输出好。,vout,r,Vcc,浮置扩散放大器:,原理:,2、当信号电荷到来时，T1截止，信号电荷控制T2的栅极电位：,Vout=Qs/CFD,3、在输出端获得的放大了的信

8、号电压为,4、CCD的特性参数,没有被转移Q（=Q1-Q0）与原有Q0之比值，称作转移损失率。,电荷转移效率及电荷转移损失率,1)、定义：,当前电极下Q1与上一电极Q0的比值，称作转移效率。,4、CCD的特性参数,2)、计算式：,如果总转移效率太低，CCD器件就失去实用价值。因为，如果一定，那么器件的位数就受到限制。,如果转移 n个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为：,Qn/Q0=n=()n e-n,结论：,2、计算式：,N/f L（or）f L N/（相数 N=2、3、4）,工作频率,f太高，会降低总转移效率，同样降低了信噪比。,CCD器件的工作频率应选择在fL 和fh 之

9、间。,1、定义：,信号电荷从一个电极转移到另一个电极的频率 f，包括上限频率及下限频率。,f 太低，热激发的少子过多填入势阱，降低输出信号的信噪比。,Th/3=1/(3 f h)tm（or）fh(3 tm)-1（相数 N=2、3、4）,工作频率的上限fh：,工作频率下限f L：,2、计算式：,Nmax=Cox VG Ad/q=V G 0 s Ad2/dq,一定栅极电压作用下，势阱中能容纳的最大电荷量,电荷贮存容量,可以近似地当作电容对电荷的存储来分析,Qs=Cox VG Ad,式中，VG 为时钟脉冲变化幅值；Cox为SiO2层的电容；Ad为栅电极面积。,如果SiO2氧化层的厚度为d，则势阱中最

10、大电荷贮存容量为：,1、定义：,举例,设电极下氧化层厚度 d1500nm，VG10V，s=3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。计算得Nmax=7106，可容纳1000 Lx 的光照射2ns所产生的载流子,电荷贮存容量,3、举例：,入射在CCD象元上的单位能流密度所产生的输出电压Vs的大小，用SV表示。,灵敏度,2、计算式：,1、定义：,1、定义：在一定的测试条件下，CCD能传感的景物光学信息的最小空间分布，用Tx表示。,2、计算式：设CCD像元精密排列，象素中心间距t，则器件的极限分辨率 Tx=2t。,分辨率,1、定义：指器件在相同光能量照射下，输出的电压

11、Vs与光波长之间的关系。,光谱响应随光波长的变化而变化的关系称为光谱响应函数,光谱响应,2、光谱响应率由器件光敏区材料决定。,第三节 CCD器件,一、典型的CCD结构,单沟道线阵CCD结构,移位寄存器CCD,转移栅,光栅,光敏元,输出,双沟道线阵CCD结构,帧转移CCD结构,行间转移CCD结构,二、典型的CCD器件及其驱动,TCD142D型CCD,5、像元结构：2110个光敏像元阵列,62个哑元（前51个、后 11个)双沟道,性能参数：,1、象素(象元)：2048位线阵,2、相数：二相。,3、像元尺寸：14m，光敏阵列总长28672m,4、引脚：1A、2A、1B、2B均为时钟端、SH为移动栅、

12、RS 为复位栅,OS为移动栅、DOS为补偿输出端、OD为电源端、SS为接地端、NC空闲。,TCD142D驱动波形,6、RS复位一次输出一个光电信号。DOS端是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动脉冲 对输出电路的容性干扰信号，若将OS和 DOS分别送到差分放大器的两个输入端，则在输出端将得到被放大的没有驱动脉冲干扰的光电信号。,1、SH为同步脉冲，B时段，光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通，信号电荷转移至l 电极下。,2、C时段，隔离光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通。,3、随后，l 与2交替变化，信号电荷顺序转移，经由OS引脚输出。,4、输出：12个虚设脉冲（结构上的原因）51个暗电流脉冲 204

13、8个信号脉冲 11个暗电流脉冲（共12+51+2048+11=2122个脉冲）多余无信号脉冲。,5、该器件是两列并行传输，在一个SH 周期中至少要有1061个1脉冲，即TSH1061T1。,TCD142D驱动电路,三、CCD器件的选择（自学）,第四节 CCD的应用,一、尺寸测量,测量精度：外径0.1mm 壁厚0.05mm,设计思想（）,设计指标,玻璃管平均外径：12mm 壁厚：1.2mm,根据CCD测量灵敏度的需要，0.04mm要大于2个 CCD光敏像素的空间尺寸，选择TCD132D（光敏区长102414m=14.336mm）。,则：d1=n1t/d2=n2t/D=Nt/,光学参数计算,设：物

14、镜放大率：,象元尺寸：t,上壁厚：d1，脉冲数n1,下壁厚：d2，脉冲数n2,外径尺寸：，脉冲数：N,选择远心光路的放大率为0.8倍，则：,玻璃管的像大小为：9.6mm,外径及壁厚测量精度要求反应在像面上为：0.08mm及0.04mm。,二、位移测量,设计思想（）,设计指标：,最大电动程：3mm,最小微位移：0.004mm,测量仪器设计确定：,测量范围：03.5mm,灵敏度：0.003mm,测量误差：0.1,非接触在线测量,式中：N为M1M2之间的象素数量。,L=(LBa-LBa)+0.5(Wab-Wab)L=(NL-NL)+0.5(NW-NW),分析,设：放大系数,CCD面上光强凹陷移动L，

15、则：顶杆的电动程,x=L/,又设CCD单元象素宽度为t,则：,L=Nt,计数电路,当SOUT为高电平时，计数器开始对M计数，直至SOUT为低电平止。,以SH为标志，SH出现起延时固定时间，由计算机输出r，开启4040对M计数，直至SOUT出现。,记录NL：,记录NW：,三、信号的二值化,三、数码相机成像,远心光路,物方远心光路,象方远心光路,1、当VG0时，半导体的能带并不是平的，而是向上有所弯曲。,平带电压,1、为了使能带变平，需要附加一定的电压，这个电压称平带电压，用 VFB表示。,2、这是由于界面处有一定的正电荷存在，在氧化物中有可移动的电荷，界面处的能带稍向上弯曲。,2、考虑到VFB，

16、栅极上所加的电压必须是VG(Vth+VFB)。,CCD的电荷转移,每一象素（象元）含有若干CCD电极,图像传感技术给汽车装上眼睛（1）目前的汽车系统都是通过超声波传感器来计算距离的，比如可以在司机倒车的时候对障碍物进行报警。因为雷达和激光雷达传感器成本高昂，所以，成本较低的相机传感器就更为了众商家积极研究和开发的领域。能够探视车的前方，跟定车道线，探视四周并识别限速标志，图像传感技术在汽车上的应用。汽车四周：1.后视相机。2.转向辅助功能：当转向灯亮的时候，位于侧镜周围的图像识别器就能够自动扫描到周围的车辆。如果检测到其他车辆的存在，图像识别器就会发出报警。3.夜间识别：汽车的前灯大概能够照亮

17、汽车前方100米左右的距离。使用先进的红外线技术后，图像识别器能够识别更远的具体物体。汽车内部：1.乘客识别：通过汽车内部的图像识别器和体重识别器，2.安全警示：图像识别器可以根据驾驶员的头部动作、眨眼睛频率等来分辨司机的疲劳程度。警示。3.智能气囊：可以通过座位上乘客的身材来判定是否打开气囊甚至控制气囊打开的程度，虽然，从目前来看，图像传感技术还只是在某些奢侈汽车上得以应用，但是我们期待着该技术能够早日普及，惠及普通百姓。链 接:CMOS图像传感器的优势 1.成本低廉且易被集成 不同于CCD传感器，CMOS图像传感器基本可以在任何生产芯片的工厂生产。2.耗电量小，电池寿命长 积极像素传感器的耗电量很小，对于依赖电源的便捷式外设来讲，是非常具有优势的。,1、什么是电荷耦合器件？它能实现哪些功能？,2、电荷耦合器件的敏感器件是什么？,4、CCD器件的构成有哪些？,3、CCD是如何实现电荷转移?,第三章习题与思考,