圖像傳感器檢測系統(tǒng)硬件原理

第 六 章 6. 1 固 體 圖 像 傳 感 器 檢 測 技 木 第 六 章電 荷 耦 合 器 件 第 六 章 電 荷 耦 合 器 件 (chargeCoupled Devices)簡 稱 CCD， 是 1970年 由 美 國 貝 爾 實 驗 室首 先 研 制 出 來 的 新 型 固 體 器 件 。 作 為MOS技 術(shù) 的 延 伸 而 產(chǎn) 生 的 一 種 半 導(dǎo) 體 器件 。 第 六 章 CCD作 為 一 種 多 功 能 器 件 ， 有 三 大 應(yīng) 用領(lǐng) 域 ： 攝 像 、 信 號 處 理 和 存 貯 。 特 別 是在 攝 像 領(lǐng) 域 ， 作 為 二 維 傳 感 器 件 ， CCD與 真 空 攝 像 器 件 相 比 ， 具 有 無 灼 傷 ， 無滯 后 ， 體 積 小 ， 低 功 耗 、 低 價 格 、 長 壽命 等 優(yōu) 點 。 第 六 章 廣 播 級 電 視 攝 像 機 中 ， CCD攝 像 機 可 與真 空 器 件 攝 像 機 “ 平 分 秋 色 ” 。 而 在 閉路 電 視 、 家 庭 用 攝 像 方 面 ， CCD攝 像 機則 呈 現(xiàn) 出 “ 一 統(tǒng) 天 下 ” 的 趨 勢 。 在 工 業(yè) 、 軍 事 和 科 學(xué) 研 究 等 領(lǐng) 域 中 的 應(yīng)用 ， 如 方 位 測 量 、 遙 感 遙 測 、 圖 像 制 導(dǎo) ，圖 像 識 別 等 方 面 更 呈 現(xiàn) 出 其 高 分 辮 力 ，高 準 確 度 ， 高 可 靠 性 等 突 出 優(yōu) 點 。 第 六 章 圖 像 傳 感 器 實 際 上 只 能 記 錄 光 線 的 灰度 ， 也 就 是 說 ， 它 能 記 錄 光 線 的 強 弱 ，但 卻 沒 有 辦 法 分 辨 顏 色 ， 而 我 們 最 需 要的 卻 是 光 線 的 顏 色 。 目 前 CCD主 要 的 解決 方 式 是 在 每 一 個 光 電 二 極 管 上 都 采 用了 濾 光 器 ， 使 對 應(yīng) 的 光 電 二 極 管 只 能 記錄 相 應(yīng) 單 色 光 。 第 六 章 各 種 單 色 分 別 被 相 鄰 的 光 電 二 極 管 記錄 下 來 ， 生 成 的 圖 像 顏 色 是 分 離 的 ， 最后 還 需 要 通 過 一 些 處 理 過 程 把 這 些 數(shù) 值合 成 為 彩 色 的 圖 像 。 數(shù) 碼 相 機 里 面 ， 這個 處 理 過 程 稱 之 為 插 值 。 通 常 的 做 法 是計 算 1個 像 素 周 圍 8個 像 素 的 顏 色 值 ， 然后 根 據(jù) 它 自 身 所 記 錄 的 顏 色 值 ， 結(jié) 合 計算 出 最 終 像 素 的 混 合 顏 色 值 。 第 六 章 CCD攝 像 機 技 術(shù) 的 發(fā) 展 趨 勢 及 應(yīng) 用 前 景 由 于 CCD攝 像 機 所 具 有 的 各 種 突 出 優(yōu) 點 ， 所 以 從 發(fā)明 至 今 僅 20多 年 其 發(fā) 展 速 度 驚 人 。 近 10年 來 ， CCD攝 像 機 的 應(yīng) 用 已 深 入 到 各 個 領(lǐng) 域 ， 可 以 說 是 跨 行 業(yè) 、跨 專 業(yè) 多 方 面 應(yīng) 用 的 一 種 光 電 產(chǎn) 品 。 它 的 用 量 以 每 年20%的 速 度 遞 增 。 第 六 章 CCD傳 感 器 有 兩 種 第 一 、 特 殊 CCD傳 感 器 ， 如 紅 外 CCD芯片 （ 紅 外 焦 平 面 陣 列 器 件 ） 、 高 靈 敏 度背 照 式 和 電 子 轟 擊 式 CCD、 EBCCD等 ，另 外 還 有 大 靶 面 如 2048 2048、4096 4096可 見 光 CCD傳 感 器 、 寬 光譜 范 圍 （ 紫 外 光 可 見 光 近 紅 外 光 3-5 m中 紅 外 光 8-14um遠 紅 外 光 )焦 平 面 陣 列 傳 感 器 等 。 目 前 已 有 商 業(yè) 化產(chǎn) 品 ,并 廣 泛 應(yīng) 用 于 各 個 領(lǐng) 域 。 第 六 章CCD攝 像 機 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 的 發(fā) 展 趨 勢 1、 CCD攝 像 機 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 CCD攝 像 機 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 在 不 斷 的 擴 展 ，應(yīng) 用 技 術(shù) 的 深 化 又 促 進 CCD攝 像 機 的 多樣 化 產(chǎn) 品 的 生 產(chǎn) 。 總 體 有 MOBILE、 PUBLIC、 HOME三個 方 面 ， 其 中 有 ： 第 六 章 （ 1） Camcorder攝 錄 一 體 化 CCD攝 像機 。 從 中 國 電 子 工 業(yè) 部 市 場 預(yù) 測 數(shù) 據(jù) 獲悉 ， 2000年 需 求 量 可 達 150萬 臺 。 （ 2） TVphone據(jù) 資 料 介 紹 ， 有 些 移 動電 話 公 司 正 在 研 發(fā) 可 帶 視 頻 圖 像 攝 入 和顯 示 的 手 機 即 大 哥 大 。 第 六 章 （ 3） PCcamera到 21世 紀 初 葉 ， 隨 著電 腦 網(wǎng) 絡(luò) 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 ， PCCamera作 為電 腦 前 端 和 圖 像 輸 入 系 統(tǒng) ， CCD攝 像 機將 以 不 可 阻 擋 的 發(fā) 展 勢 頭 深 入 到 各 種 電腦 應(yīng) 用 的 方 方 面 面 ， 也 會 很 快 進 入 家 庭 。借 助 電 腦 網(wǎng) 絡(luò) ， 實 現(xiàn) 音 、 視 頻 同 步 遠 程通 訊 。 預(yù) 計 到 2000年 ， 我 國 PC機 年 銷量 將 為 1056萬 臺 ， 僅 按 計 算 機 配 套 率20%估 算 ， PCcamera的 需 求 量 將 為211.2萬 臺 。 第 六 章 （ 4） Doorphone隨 著 住 宅 商 品 化 ， 各種 現(xiàn) 代 化 住 宅 樓 像 雨 后 春 筍 般 撥 地 而 起 ，民 用 住 宅 的 安 全 防 范 已 提 到 日 程 上 來 ，許 多 住 宅 可 在 室 內(nèi) 及 時 地 看 到 來 訪 客 人的 實 時 圖 像 和 室 外 局 部 區(qū) 域 的 情 況 ， 也為 防 范 壞 人 入 室 作 案 起 到 有 效 的 監(jiān) 控 作用 。 第 六 章 （ 5） Scanner由 于 計 算 機 網(wǎng) 絡(luò) 的 普 及 ，所 以 為 了 提 高 各 種 資 料 、 文 字 的 輸 入 速度 ， 可 采 用 各 種 掃 描 儀 ， 讀 取 經(jīng) 過 文 字識 別 的 資 料 ， 可 將 讀 入 的 文 字 資 料 轉(zhuǎn) 換成 文 件 存 入 計 算 機 進 行 編 輯 ， 以 便 在 網(wǎng)絡(luò) 上 交 流 。 按 PC機 配 套 率 10%計 算 ，可 需 線 陣 和 面 陣 CCD傳 感 器 105.6萬 臺 。 第 六 章 （ 6） BarCodeRegister（ BCR） 條 形碼 記 錄 器 在 各 種 商 業(yè) 流 通 領(lǐng) 域 如 商 場 、倉 儲 連 鎖 店 等 普 遍 采 用 。 條 形 碼 物 品 記錄 識 別 系 統(tǒng) 與 計 算 機 聯(lián) 網(wǎng) 可 隨 時 取 得 各種 數(shù) 據(jù) 。 （ 7） Medical醫(yī) 用 顯 微 內(nèi) 窺 鏡 利 用 超 小型 的 CCD攝 像 機 或 光 纖 圖 像 傳 輸 內(nèi) 窺 鏡系 統(tǒng) ， 可 以 實 現(xiàn) 人 體 顯 微 手 術(shù) ， 減 小 手術(shù) 刀 口 的 尺 寸 ， 減 小 傷 口 感 染 的 可 能 性 ，減 輕 病 人 的 痛 苦 。 同 時 還 可 進 行 實 時 遠程 會 診 和 現(xiàn) 場 教 學(xué) 。 第 六 章 （ 8） VehicleCamera在 各 種 車 輛 中 加裝 CCD攝 像 機 可 以 使 駕 駛 人 員 借 助 車 內(nèi)CCD攝 像 機 、 車 上 的 后 視 鏡 系 統(tǒng) 和 駕 駛員 前 面 的 顯 示 器 ， 不 僅 可 隨 時 看 到 車 內(nèi)的 情 況 ， 而 且 可 在 倒 車 時 觀 察 后 面 的 道路 情 況 ， 在 向 前 行 進 過 程 中 也 能 隨 時 看到 后 方 車 輛 所 保 持 的 距 離 ， 提 高 了 行 車安 全 。 第 六 章 （ 9） ClosedCircuitTelevision（ CCTV） CCTV是 近 幾 年 被 大 家 廣 泛 注意 的 電 視 監(jiān) 控 系 統(tǒng) ， 目 前 ， 已 發(fā) 展 成 為一 種 新 的 產(chǎn) 業(yè) 。 以 CCD攝 像 機 為 主 要 前端 傳 感 器 ， 帶 動 了 一 系 列 各 種 配 套 的 主機 和 配 套 設(shè) 備 以 及 傳 輸 設(shè) 備 的 研 制 和 生產(chǎn) 企 業(yè) 。 第 六 章 （ 11） PersonalDataAssistant（ PDA） 個 人 數(shù) 據(jù) 秘 書 系 統(tǒng) 是 一 種 體 積小 于 筆 記 本 的 電 腦 ， 是 功 能 齊 全 的 計 算機 系 統(tǒng) ， 可 以 完 成 多 種 數(shù) 據(jù) 管 理 功 能 ，并 可 借 助 移 動 電 話 上 的 Internet網(wǎng) 進 行遠 程 傳 送 資 料 、 發(fā) 傳 真 等 。 第 六 章 （ 12） DigitalSignalCamera（ DSC）數(shù) 碼 照 相 機 是 近 兩 三 年 投 放 市 場 的 一 種新 型 照 相 機 。 由 CCD傳 感 器 采 集 的 圖 像信 號 經(jīng) 過 數(shù) 字 處 理 后 ， 可 被 記 錄 在 磁 卡上 ， 由 計 算 機 讀 取 磁 卡 上 的 圖 像 數(shù) 據(jù) 再現(xiàn) 出 圖 像 ， 并 可 借 助 各 種 圖 像 處 理 軟 件進 行 圖 像 編 輯 和 圖 像 處 理 。 第 六 章1 CCD的 物 理 基 礎(chǔ) CCD是 基 于 MOS(金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo)體 )電 容 器 在 非 穩(wěn) 態(tài) 下 工 作 的 一 種 器 件 。因 此 ， 必 須 了 解 MOS電 容 器 的 穩(wěn) 態(tài) 和 非穩(wěn) 態(tài) 工 作 及 其 與 CCD的 關(guān) 系 。 第 六 章1.1 穩(wěn) 態(tài) 下 的 MOS電 容 器 (一 )理 想 MOS系 統(tǒng) MOS結(jié) 構(gòu) 如 圖 13l所 示 。 在 硅 片 上 ， 生 長 一 層 SiO 2層 F，厚 度 為 dox 再 蒸 鍍 上 一 層 金 屬 鋁 作 為 柵 電 極 。 硅 下 端 制 成 歐姆 接 觸 ， 便 構(gòu) 成 一 個 MOS二 極 管 或 MOS電 容 器 。 VG為 加在 柵 電 極 上 的 偏 壓 ， 當(dāng) 柵 電 極 對 地 為 正 時 ， 則 VG為 正 ； 反之 ， VG為 負 。 第 六 章 半 導(dǎo) 體 作 為 底 電 極 ， 稱 為 “ 襯 底 ” 。 襯 底 分 為 P型 硅 襯 底 和 N型 硅 襯 底 ， 它 對 應(yīng) 不 同 的 溝 道形 式 ， 由 于 電 子 遷 移 率 高 ， 所 以 ， 大 多 數(shù) CCD選 用 P型 硅 襯 底 。 下 面 以 P型 硅 襯 底 MOS電 容 器 為 參 照 進 行 說 明 。 第 六 章 MOS電 容 器 的 狀 態(tài) 是 隨 柵 極 電 壓 VG的 變 化 而 不 同 的 。 在 VG為 零 時 ， Si表 面 沒 有 電 場 的 作 用 ， 其 載 流 子 濃 度 與 體 內(nèi) 一樣 。 Si本 身 呈 電 中 性 ， 電 子 能 量 從 體 內(nèi) 到 表 面 都 相 等 ， 所 以能 帶 是 平 坦 的 ， 不 存 在 表 面 空 間 電 荷 區(qū) 。 這 種 狀 態(tài) 稱 為 “ 平 帶 狀 態(tài) ” 。 第 六 章 當(dāng) 在 柵 極 加 上 電 壓 ， 即 VG不 為 零 時 ， Si表 面 的 電 荷和 電 勢 分 布 可 通 過 求 解 下 面 的 泊 松 方 程 式 得 到 ：式 中 ， 為 電 荷 密 度 ； 為 硅 的 介 電 常 數(shù) 。 下 面 分 三種 情 況 討 論 ： 第 六 章 1 VG 0的 多 數(shù) 載 流 子 積 累 狀 態(tài)當(dāng) 在 金 屬 柵 極 上 加 上 直 流 負 偏 壓 ， 即 VG 0時 ， 電 場 使 Si內(nèi)一 部 分 可 移 動 空 穴 集 中 到 SiSiOz界 面 ， 在 Si表 面 形 成 多數(shù) 載 流 子 積 累 層 。 這 種 狀 態(tài) 稱 為 “ 積 累 狀 態(tài) ” 。 當(dāng) 達 到 熱平 衡 時 ， VG的 一 部 分 降 落 在 SiOz層 內(nèi) ， 其 余 部 分 將 作 用 于半 導(dǎo) 體 表 面 而 引 起 表 面 勢 Vs。 由 于 Vs 0， 則 -eVs 0， 表面 處 能 帶 向 上 彎 曲 ， 從 而 導(dǎo) 致 表 面 附 近 的 價 帶 中 比 體 內(nèi) 有更 多 的 空 穴 ， 使 表 面 呈 現(xiàn) 強 P型 。 第 六 章 為 了 保 持 MOS系 統(tǒng) 的 電 中 性 條 件 ， 金 屬 柵 極 上 的 負 電荷 與 半 導(dǎo) 體 積 累 層 中 的 正 電 荷 正 好 相 互 補 償 。 但 金 屬 的費 米 能 級 與 半 導(dǎo) 體 的 費 米 能 級 并 不 相 等 ， 即 EFM EFS ，其 差 值 正 好 是 VG與 電 子 電 荷 的 乘 積 。 若 此 時 在 VG上 疊加 交 流 小 信 號 時 ， 積 累 在 界 面 處 的 空 穴 數(shù) 將 相 應(yīng) 于 交 流信 號 的 變 化 而 變 化 。 第 六 章交 流 響 應(yīng) 的 時 間 為 。 ， 這 里 是 硅電 阻 率 。 硅 的 響 應(yīng) 時 間 約 為 10-12S所 以 ，積 累 狀 態(tài) 下 可 將 半 導(dǎo) 體 襯 底 同 金 屬 板 一樣 對 待 ， 則 每 單 位 柵 面 積 下 的 MOS電 容為 式 中 ， ox為 SiOz的 介 電 常 數(shù) 。 第 六 章 2 VG 0的 多 數(shù) 載 流 子 耗 盡 狀 態(tài) 當(dāng) 在 柵 電 極 上 加 上 VG 0的 小 電 壓 時 ， P型 襯 底 中 的 空 穴從 界 面 處 被 排 斥 到 襯 底 的 另 一 側(cè) ， 在 Si表 面 處 留 下 一 層 離 化的 受 主 離 子 ， 這 種 狀 態(tài) 稱 為 多 數(shù) 載 流 子 “ 耗 盡 狀 態(tài) ” 。 這 種情 況 相 當(dāng) 于 MOS電 容 器 充 負 電 。 可 將 空 間 電 荷 區(qū) 中 的 負 電荷 密 度 寫 為 第 六 章 但 由 于 是 P型 村 底 ， 故 ND0； 在 耗 盡 時 ， 空 間電 荷 區(qū) 中 p(x)NA, 空 間 電 荷 區(qū) 中 的 電 子 濃 度n(x)p0表 面 處 電 子 濃 度 可 寫 為式 中 ， no和 p0分 別 為 p型 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 熱 平衡 時 的 電 子 濃 度 和 空 穴 濃 度 。 第 六 章 通 常 發(fā) 生 強 反 型 的 條 件 寫 成從 式 中 可 以 看 出 ， 半 導(dǎo) 體 襯 底 摻 雜 濃 度 NA越 高 ， 半 導(dǎo) 體 表 面 越 不 易 反 型 。 第 六 章 在 強 反 型 狀 態(tài) 下 ， 表 面 處 電 子 濃 度 隨 VS增 加 呈 指 數(shù) 地 增 長 ， 而 VS隨 耗 盡 層 寬 度 xd呈 二 次 函 數(shù) 增 加 。 因 此 ， 一 旦 出 現(xiàn) 反型 層 ， 即 使 提 高 柵 電 壓 ， 使 柵 極 的 正 電荷 進 一 步 增 加 ， 但 由 于 反 型 層 中 的 電 子也 增 加 而 維 持 平 衡 ， 結(jié) 果 耗 盡 層 寬 度 幾乎 不 變 ， 即 達 到 耗 盡 層 寬 度 最 大 值 。可 得 第 六 章該 式 也 表 明 在 一 定 溫 度 下 ， NA越 大 ， 則xdmax越 小 。 聚 集 在 反 型 層 中 的 電 子 由 耗盡 層 中 的 熱 激 發(fā) 產(chǎn) 生 的 電 子 空 穴 對 供給 。 由 于 這 種 機 構(gòu) 產(chǎn) 生 比 較 緩 慢 ， 即 使在 直 流 電 壓 上 疊 加 上 小 的 交 流 電 壓 ， 反型 層 的 電 子 數(shù) 也 不 能 響 應(yīng) 這 種 交 流 變 化 。所 以 在 強 反 型 狀 態(tài) 下 ， 耗 盡 層 達 到 最 大寬 度 x dmax而 且 不 隨 VG而 變 化 ， MOS電容 將 達 到 極 小 值 并 大 致 保 持 恒 定 。 第 六 章 在 MOS結(jié) 構(gòu) 中 ， 表 面 出 現(xiàn) 強 反 型 狀 態(tài)時 對 應(yīng) 的 外 加 偏 壓 VG稱 為 閾 值 電 壓 (又叫 開 啟 電 壓 )， 常 用 Vth表 示 。 第 六 章 從 圖 中 的 能 帶 看 到 ， 對 表 面 反 型 層 的 電 子 來說 ， 一 邊 是 SiO2絕 緣 層 ， 它 的 導(dǎo) 帶 比 半 導(dǎo) 體 高許 多 。 另 一 邊 是 彎 曲 的 導(dǎo) 帶 形 成 的 一 個 陡 坡 ，其 代 表 由 空 間 電 荷 區(qū) 電 場 形 成 的 勢 壘 。 第 六 章 所 以 ， 反 型 層 中 的 電 子 實 際 上 是 被 限 制 在 表 面附 近 能 量 最 低 的 一 個 狹 窄 區(qū) 域 。 因 此 ， 常 稱 反型 層 為 溝 道 。 P型 半 導(dǎo) 體 的 表 面 反 型 層 是 由 電子 構(gòu) 成 的 ， 所 以 稱 為 N溝 道 。 反 之 ， N型 半 導(dǎo)體 稱 為 P溝 道 。 第 六 章2 CCD的 工 作 原 理 和 結(jié) 構(gòu) CCD是 一 行 行 緊 密 排 列 在 硅 襯 底 上 的MOS電 容 器 陣 列 ， 它 具 有 存 儲 和 轉(zhuǎn) 移 信息 的 能 力 ， 故 又 稱 為 動 態(tài) 移 位 寄 存 器 。為 了 了 解 CCD的 工 作 原 理 ， 必 須 了 解MOS電 容 之 間 的 耗 盡 層 耦 合 。 第 六 章2.1 耗 盡 層 耦 合 考 察 兩 個 間 隔 較 大 的 MOS電 容 器 ， 在 兩 個 金 屬 柵 極 之間 沒 有 被 金 屬 覆 蓋 那 部 分 的 氧 化 物 下 的 表 面 勢 ， 將 由 氧化 層 上 面 的 情 況 、 固 定 氧 化 物 電 荷 Qf及 襯 底 摻 雜 濃 度等 確 定 。 第 六 章在 這 種 情 況 下 ， 不 可 能 使 一 個 MOS電 容 器 中 存 貯 的 信 息 電 荷 轉(zhuǎn) 移 到 另 一 個 MOS電 容 器 中 。 第 六 章 當(dāng) 兩 個 金 屬 柵 極 彼 此 足 夠 靠 近 時 ， 其 間 隙 下 的 表 面 勢 將由 兩 個 金 屬 柵 極 上 的 電 位 決 定 ， 從 而 就 能 夠 形 成 兩 個 MOS電 容 器 下 面 耗 盡 層 的 耦 合 ， 使 一 個 MOS電 容 器 中 存 貯 的 信 號 電 荷 轉(zhuǎn) 移 到 下 一 個 MOS電 容 器 中 去 . 第 六 章 CCD能 否 成 功 地 工 作 ， 首 先 決 定 于 金 屬 電 極 的 排 布 情況 。 為 了 找 出 最 佳 的 間 隙 寬 度 ， 必 須 對 各 種 尺 寸 的 器 件 求 解 二 維 泊 松 方 程 并 給 出 表 面 勢 作 為 間 隙 的 函 數(shù) 曲 線 。 第 六 章 從 所 得 結(jié) 果 看 ， 為 保 證 表 面 勢 不 形 成 高 的 勢 壘 ， 間 隙 寬 度 g應(yīng) 小 于 3m。 如 果 g等 于 3 m， 勢 壘 基 本 消 失 。 g 3 m時 邊 緣 效 應(yīng) 還 可 以 加 速 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 。 上 述 模 型 中 取 dox 0 3 m， 但 實 際 中 常 采 用 dox 0.1 m。 這 樣 ， 要 實 現(xiàn) 相 鄰 MOS電 容 的 勢 阱 良 好 耦 合 ， 必 須 要 求 間 隙 里 g 1 m 。 第 六 章2.2 CCD的 工 作 原 理 當(dāng) CCD工 作 時 ， 可 以 用 光 注 入 或 電 注 入 的 方 法 向 勢 阱 注 入信 號 電 荷 ， 以 獲 得 自 由 電 子 或 自 由 空 穴 。 勢 阱 所 存 貯 的 自 由電 荷 通 常 也 稱 為 電 荷 包 。 在 提 取 信 號 時 ， 需 要 將 電 荷 包 有 規(guī)則 地 傳 遞 出 去 ， 即 進 行 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 。 第 六 章CCD中 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 必 須 按 照 確 定 的 方 向 。 為 此 ， MOS電容 器 列 陣 上 所 加 的 電 位 脈 沖 必 須 嚴 格 滿 足 相 位 時 序 要 求 ， 使 得 任 何 時 刻 勢 附 的 變 化 總 是 朝 著 一 個 方 向 。 第 六 章 如 圖 所 示 ， 當(dāng) 電 荷 從 左 向 右 轉(zhuǎn) 移 時 ， 在 任 何 時 刻 ， 當(dāng)存 貯 有 信 號 電 荷 的 勢 斷 抬 起 時 ， 與 之 相 鄰 的 右 邊 的 勢階 總 比 該 勢 斷 深 ， 這 樣 才 能 保 證 電 荷 始 終 朝 右 邊 轉(zhuǎn) 移 。 第 六 章 通 常 在 CCD的 MOS列 陣 上 將 幾 個 相 鄰 的 MOS電 容 器 劃 分 為 一個 單 元 而 無 限 循 環(huán) ， 每 一 單 元 稱 為 一 位 。 將 每 一 位 中 對 應(yīng) 位 置上 的 電 容 柵 極 分 別 連 在 各 自 共 同 的 電 極 線 上 ， 稱 之 為 相 線 。 如圖 1310(a)中 所 示 ， 三 相 CCD中 l、 4、 7為 一 共 同 相 線 ， 2、 5、 8及 3、 6、 9分 別 為 另 外 二 個 共 同 相 線 。 可 見 ， 一 位 CCD中 包 含 的 電 容 器 個 數(shù) 即 為 CCD的 相 數(shù) ， 或 者 說 每 相 線 連 起來 的 電 容 器 的 個 數(shù) 即 為 CCD的 位 數(shù) 。 第 六 章 第 六 章 圖 中 給 的 是 N襯 底 P溝 道 情 況 ， 而 對 P襯底 N溝 道 情 況 ， 只 需 將 所 加 電 壓 反 極 性即 可 。 上 述 這 種 P溝 道 情 況 ， 因 其 必 須 加 負 極性 柵 壓 ， 且 空 穴 的 遷 移 率 低 ， 故 除 特 殊用 途 外 ， 通 常 大 多 都 是 使 用 N溝 道 CCD。 第 六 章 CCD中 信 號 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 還 必 須 沿 確 定 的 路 線 。 所 以 ， 在 工 藝設(shè) 計 時 必 須 考 慮 好 溝 道 與 溝 阻 。 電 荷 轉(zhuǎn) 移 的 通 道 稱 為 溝 道 。 而 限 定 溝 道 的 部 分 稱 為 溝 阻 ， 根 據(jù) 前 邊 的 討 論 ， 在 相 同 VG下 ， NA越 高 ， Vs越 低 。 所 以 可 以 在 設(shè) 計 為 溝 阻 的 部 位 做 更 高 摻 雜 ，形 成 溝 阻 ， 從 而 確 定 溝 道 。 第 六 章2 3 CCD的 基 本 結(jié) 構(gòu)1 轉(zhuǎn) 移 電 極 結(jié) 構(gòu) 轉(zhuǎn) 移 電 極 結(jié) 構(gòu) 通 常 按 照 每 位 采 用 的 電 極 相 數(shù)來 劃 分 。 對 于 普 通 結(jié) 構(gòu) 的 CCD， 為 了 使 電 荷包 單 向 轉(zhuǎn) 移 ， 至 少 需 要 三 相 。 對 于 特 殊 結(jié) 構(gòu) 的 CCD， 也 可 采 用 二 相 供 電 或 四 相 供 電 等 方 式 。 第 六 章 (l)三 相 電 極 結(jié) 構(gòu) (三 相 CCD) 三 相 CCD的 結(jié) 構(gòu) 使 電 荷 定 向 運 動 ， 采 用 對 稱 電 極 結(jié)構(gòu) ， 三 相 CCD是 最 簡 單 的 電 極 結(jié) 構(gòu) 。 因 為 在 某 一 確 定的 時 刻 ， 對 存 貯 有 電 荷 的 電 極 而 言 ， 兩 個 相 鄰 電 極 ，需 要 一 個 被 “ 打 ” 開 ， 另 一 個 保 持 “ 關(guān) ” 閉 ， 以 阻 止電 荷 倒 流 。 通 常 這 種 電 極 結(jié) 構(gòu) 有 三 種 形 式 ： 第 六 章 三 相 單 層 鋁 電 極 結(jié) 構(gòu) ： 它 是 一 個 完 整 的 三 相 CCD單 層 鋁 電 極 結(jié) 構(gòu) 。 是 在 輕 摻 雜 的 硅 襯底 上 先 生 成 一 層 0.1m的 SiO 2， 而 后 在 SiO2上 蒸 發(fā) 一 層 鋁 ， 采用 光 刻 工 藝 形 成 間 隙 很 窄 的 電 極 。 這 種 結(jié) 構(gòu) 存 在 明 顯 的 缺 點 。電 極 間 隙 處 SiO2表 面 裸 露 在 周 圍 氣 氛 中 ， 有 可 能 沾 污 SiO2表 面 ，造 成 表 面 勢 不 穩(wěn) 定 ， 影 響 轉(zhuǎn) 移 效 率 。 第 六 章 三 相 電 阻 海 結(jié) 構(gòu) ： 為 得 到 封 閉 的 電 極 結(jié) 構(gòu) ， 采 用 的 方 法 之 一 就 是 引 用 硅柵 結(jié) 構(gòu) 。 在 氧 化 物 層 上 沉 積 一 層 多 晶 硅 ， 然 后 按 要 求 對電 極 區(qū) 域 選 擇 摻 雜 (硼 或 磷 )， 形 成 三 相 電 極 形 狀 ， 電 極 間 互 連 和 焊 接 區(qū) 采 用 蒸 鋁 來 實 現(xiàn) 。 第 六 章 這 種 結(jié) 構(gòu) 是 封 閉 式 ， 性 能 穩(wěn) 定 ， 成 品 率 高 。 但 由 于 光 刻 和 多 晶 硅定 域 摻 雜 難 以 保 證 電 極 間 高 阻 區(qū) 很 窄 ， 使 得 每 個 單 元 尺 寸 較 大 ， 這 樣 的 結(jié) 構(gòu) 僅 用 于 小 型 列 陣 器 件 。 而 且 電 極 低 阻 區(qū) 的 電 阻 率 必 須合 適 ， 既 要 低 得 足 以 使 電 勢 能 跟 隨 時 鐘 波 形 的 變 化 ， 又 不 能 產(chǎn) 生過 大 的 功 率 耗 散 ， 這 是 難 以 掌 握 的 困 難 問 題 。 第 六 章 三 相 交 疊 硅 柵 結(jié) 構(gòu) ： 三 相 交 疊 硅 柵 結(jié) 構(gòu) 是 常 用 三 相 交 疊 電 極 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 電 極 間 窄 間 隙 ， 又 封 閉 的 電 極 結(jié) 構(gòu) 。 三 相 交 疊 電 極 可 以 是 多 晶 硅 ， 也 可 以 是 鋁 金 屬 ， 或 者 兩 種 混 用 。 第 六 章 三 相 交 疊 硅 柵 的 形 成 工 藝 是 ， 先 在 硅 表 面 生 成 一 層 高 質(zhì)量 的 氧 化 物 ， 跟 著 沉 積 一 層 多 晶 硅 ， 摻 雜 后 按 規(guī) 定 圖 案光 刻 出 第 一 組 電 極 ； 而 后 再 進 行 熱 氧 化 ， 形 成 一 層 氧 化物 ， 再 沉 積 多 晶 硅 、 摻 雜 ， 第 二 次 光 刻 出 第 二 組 電 極 ；第 三 組 電 極 形 成 方 法 與 第 二 組 電 極 相 同 。 第 六 章 柵 介 質(zhì) 層 也 可 采 用 復(fù) 合 介 質(zhì) 層 ， 如 SiO 2-氮 化 硅 。 若 采用 鋁 柵 ， 則 用 陽 極 氧 化 法 來 形 成 電 極 間 的 絕 緣 層 。 這 種結(jié) 構(gòu) 可 得 到 小 至 幾 百 納 米 的 電 極 間 隙 ， 單 元 尺 寸 也 小 ，溝 道 又 是 封 閉 式 的 ， 因 而 受 到 歡 迎 。 第 六 章 為 了 發(fā) 揮 各 類 CCD結(jié) 構(gòu) 的 最 佳 性 能 ， 對 時 鐘 脈 沖 有 一 定 的 要 求 。對 三 相 時 鐘 脈 沖 有 三 點 要 求 ： 三 相 時 鐘 脈 沖 有 一 定 的 交 疊 ， 在 交 疊 區(qū) 內(nèi) ， 電 荷 電 源 勢 阱 與 接 收 勢 阱 同 時 共 存 ， 以 保 證 電 荷 在 這 兩 個 勢 阱 間 充 分 轉(zhuǎn) 移 ； 時 鐘 脈 沖 的 低 電 平 必 須 保 證 溝 道 表 面 處 于 耗 盡 狀 態(tài) ； 時 鐘 脈 沖 幅 度 選 取 適 當(dāng) 。 第 六 章 (2)二 相 CCD電 極 結(jié) 構(gòu) 為 使 CCD能 在 二 相 時 鐘 脈 沖 驅(qū) 動 下 工 作 ， 電 極本 身 必 須 設(shè) 計 成 不 對 稱 性 ， 在 這 種 不 對 稱 電 極 下產(chǎn) 生 體 內(nèi) 勢 壘 ， 保 證 電 荷 能 定 向 運 動 。 第 六 章 實 現(xiàn) 不 對 稱 電 極 結(jié) 構(gòu) ， 可 利 用 同 一 電 極 下 不 同氧 化 物 厚 度 臺 階 和 離 子 注 人 來 產(chǎn) 生 體 內(nèi) 勢 壘 ， 第 六 章 二 相 多 晶 硅 柵 極 結(jié) 構(gòu) 。 二 相 時 鐘 方 法 在 結(jié) 構(gòu) 上 和時 鐘 驅(qū) 動 上 都 很 簡 單 。 但 它 也 有 缺 點 ， 即 因 為 厚氧 化 層 下 面 是 阻 擋 勢 壘 ， 不 能 存 貯 電 荷 ， 加 之 勢阱 勢 壘 差 減 小 ， 所 以 ， 能 夠 存 貯 在 勢 阱 中 的 信 號電 荷 量 比 三 相 時 鐘 情 況 少 。 第 六 章 第 六 章 第 六 章 第 六 章 二 相 CCD結(jié) 構(gòu) 可 以 采 用 l（ 1/2） 工 作 模 式 驅(qū) 動 ， 即 一 個 柵 電 極 加 一 定 的 直 流 偏 壓 ， 另 一 個 柵 電 極 加 時 鐘 脈 沖 。 雖 然 這 種工 作 模 式 比 一 般 的 二 相 方 式 的 時 鐘 脈 沖 擺 幅 要 大 些 ， 但 驅(qū) 動的 外 圍 電 路 可 以 簡 化 ， 受 到 用 戶 歡 迎 。 第 六 章 (3)四 相 CCD電 極 結(jié) 構(gòu) 奇 數(shù) 電 極 位 于 厚 SiOz上 ， 偶 數(shù) 電 極 位 于 薄 SiOz上 。因 此 ， 即 使 在 同 一 柵 電 壓 下 ， 偶 數(shù) 電 極 下 面 的 耗 盡層 要 深 一 些 。 第 六 章 第 六 章 第 六 章 四 相 CCD工 作 狀 態(tài) 與 三 相 器 件 、 二 相 器 件 相比 ， 較 為 適 合 于 工 作 時 鐘 頻 率 很 高 的 情 況 (如100MHz)， 此 時 驅(qū) 動 波 形 接 近 正 弦 波 。 第 六 章 除 了 上 述 三 種 電 極 形 式 CCD外 ，還 有 一 種 虛 相 CCD結(jié) 構(gòu) 形 式 。這 種 形 式 可 以 看 作 是 二 相 CCD的 l（ 1/2） 工 作 驅(qū) 動 模 式 的 推 廣 ，即 把 保 持 直 流 電 壓 的 電 極 不 做 在柵 氧 化 層 上 面 ， 而 是 在 柵 氧 化 層下 硅 表 面 上 注 入 一 淺 的 P型 層 作閾 值 位 移 用 。 只 要 注 入 劑 量 足 夠大 ， 則 不 管 柵 壓 為 正 為 負 ， 表 面勢 將 始 終 鉗 位 在 零 ， 故 其 上 有 無電 極 已 無 所 謂 。 實 際 上 是 堆 積 在表 面 的 薄 空 穴 層 對 下 面 的 埋 溝 起著 “ 虛 ” 柵 的 作 用 。 這 樣 驅(qū) 動 虛相 CCD實 際 上 只 要 一 個 時 鐘 相脈 沖 ， 從 而 將 大 大 地 簡 化 驅(qū) 動 電 路 。 第 六 章 第 六 章以 上 的 討 論 也 告 訴 我 們 ，器 件 驅(qū) 動 電 路 的 簡 化 是以 器 件 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 的 復(fù) 雜化 為 代 價 而 得 到 的 。 第 六 章 2 轉(zhuǎn) 移 溝 道 結(jié) 構(gòu) CCD的 電 荷 轉(zhuǎn) 移 溝 道 有 兩 種 形 式 ， 即表 面 溝 道 和 體 內(nèi) 或 埋 溝 道 形 式 。 前 者 稱為 表 面 CCD， 簡 記 為 SCCD； 后 者 稱 為埋 溝 CCD， 簡 記 為 BCCD。 前 面 介 紹 的原 理 都 是 表 面 CCD的 ， 因 此 ， 這 里 只 介紹 埋 溝 CCD。 第 六 章 表 面 CCD存 在 如 電 荷 轉(zhuǎn) 移 速 度 和 轉(zhuǎn) 移 效率 低 等 問 題 。 其 主 要 原 因 是 受 表 面 態(tài) 和遷 移 率 的 影 響 。 在 Si和 SiO2界 面 處 的 表面 態(tài) ， 能 夠 接 受 電 荷 包 中 的 電 子 ， 也 能向 電 荷 包 發(fā) 射 電 子 。 第 六 章 當(dāng) 電 荷 包 轉(zhuǎn) 移 時 ， 空 的 界 面 態(tài) 從 溝 道 中獲 得 電 子 ， 如 果 它 能 很 快 地 把 這 些 電 子釋 放 出 來 ， 隨 原 電 荷 包 一 起 前 進 ， 將 不影 響 轉(zhuǎn) 移 效 率 ； 第 六 章 但 若 釋 放 慢 ， 則 電 子 將 進 入 后 續(xù) 的 電 荷包 ， 造 成 信 息 損 失 。 為 了 避 免 表 面 態(tài) 的這 種 影 響 ， 將 電 荷 轉(zhuǎn) 移 溝 道 做 在 體 內(nèi) ，從 而 形 成 埋 溝 CCD。 第 六 章 埋 溝 CCD的 原 理 如 圖 所 示 。 設(shè) 襯 底 為 P 型 ，在 硅 的 表 面 注 入 雜 質(zhì) ， 如 磷 ， 典 型 濃 度 為 10 12 cm2： 使 之 形 成 N型 薄 層 。 在 N型 層 的 兩 端做 上 N+層 ， 起 源 和 漏 的 作 用 。 第 六 章 設(shè) 開 始 時 ， V G 0， N+區(qū) 加 上 足 夠 的 正 偏 壓 ， 并取 襯 底 為 零 電 位 ， 這 樣 柵 極 相 對 于 N層 為 負 ， 于 是在 N區(qū) 形 成 場 感 應(yīng) 耗 盡 層 (電 子 耗 盡 )， 其 厚 度 為 dl，同 時 由 于 N和 P之 間 施 以 反 偏 壓 ， 故 形 成 體 內(nèi) 耗 盡層 ， 其 厚 度 為 d2十 d3。 第 六 章 d 2和 d3分 別 為 耗 盡 層 擴 展 到 N區(qū) 及 P區(qū) 的 部 分 。 d2 d3 隨 偏 壓 的 升 高 而 增 大 。 但 當(dāng) d2 同 d1相 接 觸 時 ， N區(qū) 全 部 電 離 ， d2不 能 再 增 加 。 若 設(shè) d1同 d2的 交 界 線為 z， 則 在 極 限 情 況 下 ， Vz不 隨 偏 壓 而 改 變 。 第 六 章 埋 溝 CCD的 能帶 圖 。 從 圖 中 可以 看 出 最 低 勢 能不 在 界 面 處 ， 而是 在 體 內(nèi) 。 此 處能 夠 收 集 電 子 ，作 為 電 子 通 道 。當(dāng) 通 道 內(nèi) 有 自 由電 荷 時 ， 勢 能 發(fā)生 變 化 。 第 六 章 埋 溝 CCD與 表 面 CCD電 荷 轉(zhuǎn) 移 機 理 的區(qū) 別 在 于 ： 前 者 攜 帶 信 息 的 電 子 是 N層 中 的 多 子 ，而 后 者 則 是 P層 中 的 少 子 ； 表 面 CCD中 的 信 號 電 荷 集 中 在 界 面 處很 薄 的 反 型 層 中 ， 而 埋 溝 CCD的 信 號 電荷 集 中 在 體 內(nèi) 的 z平 面 附 近 。 第 六 章 如 果 施 以 正的 柵 壓 ， 則 勢能 曲 線 下 降 ，且 P區(qū) 耗 盡 層加 寬 。 第 六 章 典 型 的 埋 溝 CCD結(jié) 構(gòu) 如 圖 1325所 示 。它 的 輸 入 與 輸 出 部 分 與 表 面 CCD相 似 。 第 六 章 埋 溝 CCD在 性 能 上 則 至 少 在 以 下 幾 點上 優(yōu) 于 表 面 CCD： 因 信 號 電 荷 在 體 內(nèi) 存 貯 和 轉(zhuǎn) 移 ， 避開 了 界 面 態(tài) 俘 獲 信 號 電 荷 的 不 良 影 響 ，所 以 轉(zhuǎn) 移 損 失 率 較 小 ， 一 般 比 表 面 CCD小 1一 2個 數(shù) 量 級 。 第 六 章 由 于 各 柵 電 壓 間 具 有 較 強 的 耦 合 ，這 種 耦 合 隨 溝 道 加 深 而 變 強 ， 從 而增 加 了 邊 緣 電 場 。 另 外 ， 硅 體 內(nèi) 遷移 率 比 表 面 遷 移 率 高 約 一 倍 ， 因 此埋 溝 CCD的 工 作 頻 率 較 高 ， 已 證 實在 135MHz的 時 鐘 頻 率 下 仍 可 工 作 。 第 六 章 埋 溝 CCD的 最 大 優(yōu) 點 是 噪 聲 低 。這 種 低 噪 聲 和 高 傳 輸 效 率 相 結(jié) 合 ，可 使 埋 溝 CCD成 為 低 照 度 下 較 為 理想 的 攝 像 器 件 。 第 六 章 3 輸 入 、 輸 出 結(jié) 構(gòu) 典 型 的 CCD的 輸 入 、 輸 出 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。在 CCD的 主 體 兩 端 分 別 加 上 輸 入 二 極 管 (ID)和 輸 入 柵 (IG)構(gòu) 成 電 荷 的 輸 入 結(jié) 構(gòu) ， 輸 出 控 制柵 (OG)和 輸 出 二 極 管 (OD)構(gòu) 成 電 荷 的 輸 出 結(jié)構(gòu) 。 第 六 章(l)信 號 電 荷 的 注 入 表 面 CCD的 信 號 電 荷 注 人 有 光 注 入 和 電 注 入 兩 種 形 式 。作 為 光 注 入 ， 只 要 把 光 敏 區(qū) 的 光 敏 元 柵 極 施 加 正 電 壓 使柵 極 下 產(chǎn) 生 耗 盡 勢 阱 ， 則 光 敏 區(qū) 產(chǎn) 生 的 光 生 載 流 子 被 收集 到 這 個 勢 阱 中 去 。 當(dāng) 轉(zhuǎn) 移 柵 為 高 電 平 時 ， 信 號 電 荷 將從 光 敏 區(qū) 寄 存 器 轉(zhuǎn) 移 到 水 平 移 位 寄 存 器 ， 完 成 光 注 入 。 第 六 章 所 謂 電 注 入 ， 實 際 上 就 是 對 CCD勢 阱 電容 注 入 電 荷 。 完 成 這 種 輸 入 的 結(jié) 構(gòu) 通 常是 由 一 個 輸 入 二 極 管 ， 一 個 或 幾 個 輸 入控 制 柵 構(gòu) 成 。 其 工 作 模 式 可 以 是 多 種 多樣 ， 但 總 的 要 求 是 輸 入 線 性 好 ， 噪 聲 低 。常 用 的 方 法 有 動 態(tài) 電 流 積 分 法 、 二 極 管截 止 法 和 電 位 平 衡 法 等 。 但 在 實 際 中 ，電 位 平 衡 法 應(yīng) 用 最 廣 泛 ， 所 以 我 們 只 重點 介 紹 該 方 法 。 第 六 章 電 位 平 衡 法 是 利 用 輸 入 柵 Gl表 面 勢 與 存貯 柵 G2表 面 勢 平 衡 來 獲 得 信 號 電 荷 的 ，如 圖 1327所 示 。 其 具 體 步 驟 是 ： 第 六 章輸 入 柵 壓 Gl保 持 恒 定 電 壓 。 輸 入 信 號 加 在 G2上 ，開 始 時 輸 入 二 極 管 加 低 電 位 脈 沖 ， 此 時 由 于 VG 2。 VD， 故 信 號 電 荷 注 滿 G2勢 斷 。 然 后 立 即 升 高二 極 管 電 位 ， 使 之 處 于 強 反 偏 狀 態(tài) 。 第 六 章 這 樣 G2存 貯 勢 阱 中 多 余 的 電 荷 則 向 二 極管 區(qū) 倒 流 ， 直 到 Gl下 面 的 表 面 勢 同 G2下面 的 表 面 勢 相 等 為 止 ， 第 六 章 平 衡 時 Gl下 無 電 荷 ， G2勢 阱 中 的 電 荷 由式 從 上 式 可 知 ， 電 位 平 衡 法 注 入 的 信 號 電荷 與 兩 個 相 鄰 柵 極 的 電 勢 差 成 正 比 ， 但因 VGl是 固 定 的 ， 所 以 Qs同 信 號 電 壓 VG 2成 正 比 。 第 六 章 這 樣 的 電 荷 可 以 分 為 信 號 電 荷 和 襯 底 電荷 ， 也 就 是 說 ， 注 人 到 勢 阱 的 絕 對 電 荷量 不 代 表 信 號 電 荷 ， 而 電 荷 量 的 差 值 才是 信 號 電 荷 。 這 個 襯 底 電 荷 相 當(dāng) 于 “ 胖 0”電 荷 。 第 六 章 電 位 平 衡 法 不 僅 線 性 特 性 好 ， 有 高 信 噪比 ， 而 且 信 號 電 荷 在 轉(zhuǎn) 移 過 程 中 ， 不 會因 界 面 態(tài) 及 電 荷 轉(zhuǎn) 移 不 完 全 而 使 信 號 失真 。 此 外 ， 電 位 平 衡 法 消 除 了 柵 注 人 法所 帶 來 的 隨 機 噪 聲 。 它 是 目 前 表 面 CCD作 為 模 擬 信 號 處 理 較 理 想 的 輸 入 方 法 。 第 六 章 (2)信 號 電 荷 的 輸 出 信 號 電 荷 經(jīng) 輸 入 結(jié) 構(gòu) 變 成 大 小 不 同 的電 荷 包 后 ， 就 在 時 鐘 脈 沖 驅(qū) 動 下 沿 CCD溝 道 轉(zhuǎn) 移 ， 很 快 轉(zhuǎn) 移 到 輸 出 端 的 最 后 一個 時 鐘 電 極 下 面 。 如 何 將 電 荷 包 無 破 壞地 檢 測 出 來 是 輸 出 結(jié) 構(gòu) 的 任 務(wù) 。 通 常 CCD輸 出 信 號 電 荷 的 檢 測 有 電 流 輸 出 和電 壓 輸 出 兩 種 方 式 。 第 六 章 電 流 輸 出 常 用 的 電 流 輸 出 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1328所示 。 采 用 反 偏 二 極 管 ， 外 加 片 外 放 大 器 構(gòu) 成 輸 出電 路 。 3下 面 的 電 荷 包 經(jīng) 輸 出 柵 OG后 ， 進 入 強反 偏 的 擴 散 層 二 極 管 OD， 使 之 表 面 勢 升 高 。 第 六 章 當(dāng) 復(fù) 位 電 壓 使 二 極 管 重 新 回 到 原 電 位 時 ， 就 有 電 流流 人 體 外 放 大 管 。 該 方 法 有 較 好 的 線 性 ， 但 需 外 接放 大 器 構(gòu) 成 大 的 電 容 。 由 于 電 荷 轉(zhuǎn) 移 到 偏 置 的 輸 出擴 散 結(jié) 是 完 全 的 電 荷 轉(zhuǎn) 移 過 程 ， 本 質(zhì) 上 是 無 噪 聲 的 。影 響 讀 出 線 性 和 加 入 噪 聲 的 主 要 是 與 輸 出 二 極 管 相關(guān) 的 電 容 大 小 ， 及 放 大 器 的 噪 聲 。 第 六 章 電 壓 輸 出 常 用 的 電 壓 輸 出 有 浮 置 擴散 放 大 器 輸 出 (FDA)和 浮 置 柵 放 大 器 輸 出(FGA)等 方 式 。 這 里 主 要 介 紹 浮 置 擴 散放 大 器 輸 出 ， 其 輸 出 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1329所示 。 第 六 章 結(jié) 構(gòu) 中 ， 除 輸 出 柵 和 輸 出 二 極 管 外 ， 還 在 同 一 芯 片 上 集成 一 個 復(fù) 位 MOS-FET(Tl)和 一 個 讀 出 MOS-FET(T2)。 浮 置 擴 散 層 的 輸 出 信 號 直 接 送 給 讀出 MOS-FET的 柵 極 。 第 六 章 開 始 時 ， 擴 散 層 在 復(fù) 位 晶 體 管 Tl的 復(fù) 位電 位 作 用 下 處 于 強 反 型 狀 態(tài) 。 當(dāng) 電 荷 流人 時 ， 擴 散 層 下 的 表 面 勢 升 高 。 升 高 量為 式 中 ， CFD為 浮 置 擴 散 節(jié) 點 上 的 總 電 容 。 第 六 章 在 上 述 電 路 中 ， T2具 有 低 的 輸 入 電 容 和低 的 輸 出 電 阻 。 二 極 管 的 耗 盡 層 電 容 隨其 上 的 電 位 而 變 化 下 構(gòu) 成 非 線 性 因 素 。這 個 因 素 可 通 過 采 用 小 的 耗 盡 層 電 容 來減 少 。 如 采 用 高 阻 襯 底 材 料 和 小 的 二 極管 面 積 ， 或 連 接 一 個 比 二 極 管 大 的 固 定負 載 電 容 。 第 六 章 浮 置 柵 放 大 器 輸 出 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1330所 示 。 其 特點 是 ， 用 于 取 出 信 號 的 柵 極 浮 置 于 溝 道 上 面 的氧 化 層 中 間 ， 加 有 固 定 的 偏 置 電 壓 。 當(dāng) 電 荷 包在 浮 置 柵 下 通 過 時 ， 浮 置 柵 上 由 于 電 容 耦 合 產(chǎn)生 電 位 變 化 。 第 六 章 第 六 章 6.2 真 空 攝 像 系 統(tǒng) 第 六 章電 視 型 電 真 空 成 像 原 理 第 六 章 第 六 章 第 六 章 電 視 技 術(shù) 的 出 現(xiàn) ， 使 人 類 擺 脫 了 必 須 面對 景 物 才 能 觀 察 的 限 制 ， 從 而 開 拓 了 一條 實 時 圖 像 傳 輸 的 技 術(shù) 途 徑 。 電 視 是 利 用 無 線 電 或 有 線 電 電 子 學(xué) 的 方法 來 傳 送 和 顯 示 遠 距 離 景 物 圖 像 的 設(shè) 備 。它 不 僅 能 超 越 障 礙 提 供 遠 距 離 景 物 的 圖像 ， 而 且 能 夠 在 大 屏 幕 上 顯 示 ， 其 亮 度和 對 比 度 還 可 以 調(diào) 節(jié) 。 第 六 章一 電 視 攝 像 的 基 本 原 理 電 視 攝 像 過 程 是 將 兩 維 空 間 分 布 的 光 學(xué)圖 像 轉(zhuǎn) 換 為 一 維 時 間 變 化 的 視 頻 電 信 號 。完 成 這 一 過 程 的 器 件 稱 為 攝 像 管 。 具 體的 攝 像 過 程 可 分 為 如 下 的 三 個 步 驟 ： 攝 像 管 的 光 敏 元 件 接 受 輸 入 圖 像 的 輻照 進 行 光 電 轉(zhuǎn) 換 ， 將 兩 維 空 間 分 布 的 光強 轉(zhuǎn) 變 為 兩 維 空 間 分 布 的 電 量 ； 第 六 章 攝 像 管 的 電 荷 存 貯 元 件 在 一 幀 的 周 期內(nèi) 連 續(xù) 積 累 由 光 敏 元 件 產(chǎn) 生 的 電 量 ， 并保 持 電 荷 量 在 空 間 的 分 布 。 這 一 存 貯 電荷 的 元 件 稱 之 為 靶 ； 攝 像 管 的 電 子 槍 產(chǎn) 生 空 間 兩 維 掃 描 的電 子 束 ， 在 一 幀 的 周 期 內(nèi) 完 成 全 靶 面 的掃 描 。 逐 點 掃 描 的 電 子 束 到 達 靶 面 的 電荷 量 與 靶 面 貯 存 的 電 荷 量 相 關(guān) ， 因 此 掃描 電 子 束 的 電 流 被 靶 面 電 荷 量 所 制 ， 從而 在 輸 出 電 路 上 即 可 得 到 視 頻 信 號 。 第 六 章二 攝 像 管 的 基 本 原 理 和 分 類 為 了 完 成 攝 像 任 務(wù) ， 攝 像 管 必 須 具 有 圖像 的 寫 入 、 存 貯 過 程 即 輸 入 的 光 學(xué) 圖 像照 射 在 靶 面 上 產(chǎn) 生 電 荷 (電 位 )圖 像 ； 圖 像的 閱 讀 、 抹 除 過 程 即 掃 描 電 子 束 從 靶 面上 取 出 視 頻 信 號 。 第 六 章一 般 攝 像 管應(yīng) 具 有 的 結(jié)構(gòu)它 主 要 由 兩大 部 分 組 成光 電 變 換 與存 貯 部 分信 號 閱 讀 部分 。 第 六 章 1 光 電 變 換 與 存 貯 部 分 ( 1) 光 電 變 換 部 分 將 光 學(xué) 圖 像 變 成 電 荷 圖 像 的 任 務(wù) 是 由 光電 變 換 部 分 來 完 成 的 。 該 部 分 由 光 敏 元件 構(gòu) 成 。 常 用 的 材 料 有 光 電 發(fā) 射 體 和 光電 導(dǎo) 體 。 第 六 章 光 電 發(fā) 射 體 。 用 于 像 管 中 的 各 種 光 陰 極 ， 都 可 以 作攝 像 管 中 的 光 電 發(fā) 射 體 。 光 陰 極 在 光 照下 產(chǎn) 生 與 光 通 量 成 正 比 的 光 電 子 流 ， 這既 可 以 利 用 光 電 子 流 進 行 放 大 處 理 ， 以作 為 信 號 輸 出 ， 也 可 以 利 用 因 光 電 子 發(fā)射 而 提 高 的 光 陰 極 電 位 作 為 信 號 輸 出 。 第 六 章 第 六 章 光 電 導(dǎo) 體 。 光 電 導(dǎo) 體 是 目 前 攝 像 管 中 應(yīng) 用 最 廣 泛 的光 電 變 換 材 料 。 這 類 攝 像 管 的 光 電 變 換基 于 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 的 原 理 。 它 的 光 敏 面 和靶 是 合 而 為 一 的 元 件 。 此 元 件 即 具 有 光電 變 換 功 能 ， 又 具 有 存 貯 與 積 累 電 荷 的作 用 。 該 元 件 稱 之 為 攝 像 管 的 靶 。 光 電導(dǎo) 攝 像 管 簡 稱 為 視 像 管 。 第 六 章 光 電 導(dǎo) 體 的 光 電 變 換 原 理 在 光 電 導(dǎo) 層 上 接 有 數(shù) 十 伏 的 直 流 電 壓 ， 形 成 跨 層 電 場 。當(dāng) 受 光 照 時 ， 靶 的 電 導(dǎo) 率 升 高 ， 由 此 使 正 電 荷 從 電 位 較高 的 一 邊 流 向 較 低 的 一 邊 (如 圖 從 左 到 右 )。 使 靶 右 邊 的正 電 荷 增 加 ， 即 電 位 上 升 。 電 位 升 高 量 與 光 照 相 對 應(yīng) 。這 樣 就 把 人 射 在 光 電 導(dǎo) 左 邊 的 光 學(xué) 圖 像 ， 轉(zhuǎn) 換 成 了 右 面的 電 位 圖 像 (電 荷 圖 像 )。 第 六 章 (2)電 荷 存 貯 與 積 累 部 分 由 于 光 電 變 換 所 得 的 瞬 時 信 號 很 弱 ，所 以 現(xiàn) 在 攝 像 管 均 采 用 積 累 元 件 。 它 對圖 像 上 的 任 一 像 元 ， 在 整 個 幀 周 期 內(nèi) 不斷 地 積 累 電 荷 信 號 。 因 為 要 積 累 和 存 貯信 號 ， 所 以 在 幀 周 期 內(nèi) 要 求 信 號 不 能 漏走 。 因 此 要 求 存 貯 元 件 應(yīng) 具 有 足 夠 的 絕緣 能 力 。 第 六 章 常 用 的 存 貯 元 件 有 ： 二 次 電 子 發(fā) 射 積 累 。 在 光 陰 極 僅 作 為 光 電 變 換 元 件 的攝 像 管 中 ， 為 了 實 現(xiàn) 信 號 的 積 累 ，還 必 須 具