光电子技术课件

信 号 人眼 噪 声
物体 (信号源)
其中光电成（摄）像器件是光电成像系 统的核心。
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§1 固体摄像器件
固体摄像器件的功能：把入射到传感器光 敏面上按空间分布的光强信息（可见光、 红外辐射等），转换为按时序串行输出的 电信号—— 视频信号。其视频信号能再现 入射的光辐射图像。
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固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即 CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即 CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID） 目前，前两种用得较多，我们这里只分析 CCD一种。
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一、电荷耦合摄像器件
电荷耦合器件（CCD）特点——以
电荷作为信号。
CCD 的基本功能 —— 电荷存储和
电荷转移。
CCD工作过程——信号电荷的产
生、存储、传输和检测的过程。
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1、电荷耦合器件的基本原理 （1）、 CCD的基本结构包括：转移电
极结构、转移沟道结构、信号输入结构、 信号输出结构、信号检测结构。构成
按照光电成像系统对应的光波长范围，光 电成像系统可以分为：可见光、紫外光、红外
光、 X光光电成像系统。
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二、光电成像系统要研究的问题
光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过 程。有四个方面的问题需要研究： 能量方面——物体、光学系统和接收器的光度 学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问 题
成像特性 —— 能分辨的光信号在空间和时间 方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的 光谱分辨率
该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作
频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。
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（4）、光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注 入两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤 传来的光信号，即采用光注入CCD。 当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。
CCD的基本单元是MOS电容。
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一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导 体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生 长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相 绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。
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（2）、电荷存储
以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例。
当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界 面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空 穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管 的开启电压，则在Si-SiO2界 面处形成深度尽状态，电子 在那里势能较低-形成了一个 势阱。如有信号电子，将聚 集在表面，实现电荷的存储。 此时耗尽层变薄。势阱的深 浅决定存储电荷能力的大小。
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（3）、电荷转移
CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对 于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移， 至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。 表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）——转移沟道在界面的CCD器件。
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表面沟道器件的特点：
工艺简单，动态范围大，但信号
按结构可分为线阵CCD和面阵CCD 按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光 CCD和紫外CCD 可见光 CCD 又可分为黑白 CCD 、彩色 CCD 和微光CCD
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（1）线阵CCD
线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输 两种结构。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。
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二、电荷耦合摄像器件的特性参数
教学目的
1、掌握CCD的结构和工作原理、光电 成像原理、光电成像光学系统； 2、了解微光像增强器件和纤维光学成 像原理。
教学重点与难点
重点：CCD的结构和工作原理、光电成像原理、
光电成像光学系统的组成。
难点：CCD的结构和工作原理、调制传递函数 的分析。
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§0 光电成像概述
一、光电成像系统的分类：
电荷的转移受表面态的影响，转移速 度和转移效率底，工作频率一般在
10MHz以下。
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体内沟道（或埋沟道CCD）：
BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）— —用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而
使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成
体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得
浮置 栅CCD放大输出信号的特点是：信号
电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷
包的输出占有一定的时间长度T；在输出信号
中叠加有复位期间的高电平脉冲。
对CCD的输出信号进行处理时，较多地采 用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲 及抑制噪声。
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2、电荷耦合摄像器件的工作原理
CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的 光电性质——CCD摄像器件
光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
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（5）、电荷检测 （输出）
CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号 电荷变换为电流或电压输出。
电荷输出结构有多种形式，如电流输出结
构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。
浮置输出栅，FD：浮置扩散区，R:复位栅，RD: 复位漏,T:输出场效应管。 浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小 块的n+区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。
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噪声方面 ——决定接收到的信号不稳定的程度 或可靠性
信息传递速率方面—— 成像特性、噪声信息
传递问题，决定能被传递的信息量大小
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三、光电成像系统基本组成的框图
光源
光 信 号 传输介质
光 信 号 光学系统 (信号分析器) 背 景 噪 声
光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器) 背 景 噪 声
信 号 显示器 噪 声
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电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电 压，在OG电极下形成耗尽层，使Φ3与FD之间 建立导电沟道。在Φ3高电位期间，电荷包存 储在Φ3电极下面。随复位栅R加正复位脉冲 ΦR ，使FD 区与RD区沟通。因V RD为正十几 伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD区抽 走。复位正脉冲过去后， FD 区与RD区呈夹 断状态， FD 区具有一定的浮置。之后Φ3转变 为底电位， Φ3电极下面的电荷包通过OG下的 沟道转移到FD 区。 18