【正文】 R SW +5V 0V 5V +10V 0V R SW Vout Vout 電荷輸送到相加阱。 輸出電阻熱噪聲 當(dāng) B＝ 1MHz, RL=2k?時 nW ＝ ?V rms 電荷的測量 )(4 r m sLW VBk TRn ?中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD工作過程與性能 ? 電荷生成 量子效率 (QE)、 暗電流 ? 電荷收集 滿阱電荷數(shù)、 均勻性、 擴(kuò)散 (調(diào)制傳遞函數(shù) , MTF) ? 電荷轉(zhuǎn)移 電荷轉(zhuǎn)移效率 (CTE), ? 電荷測量 讀出噪聲 、 線性度 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD與 CMOS比較 電荷生產(chǎn) 電荷收集 電荷轉(zhuǎn)移 電荷測量 四個過程在一個像元內(nèi)完成 . 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 光電轉(zhuǎn)換 電荷收集 像元的光敏區(qū) 電荷轉(zhuǎn)移 垂直和水平 CCD 水平 CCD后放大器 電荷 電壓轉(zhuǎn)換 /放大 微型信號線 電壓傳遞 CCD 圖像傳感器 CMOS圖像傳感器 像元內(nèi)放大器 電荷 電壓轉(zhuǎn)換 /放大 CCD與 CMOS比較 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 性能 CCD CMOS 像元輸出 電荷包 電壓 芯片輸出 電壓 (模擬 ) 數(shù)字量 噪聲 低 中等 填充因子 高 低 暗電流 低 高 均勻性 高 中等 動態(tài)范圍 高 中等 系統(tǒng)復(fù)雜度 高 低 功耗 高 低 垂直模糊 較大 沒有 CCD與 CMOS比較 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CMOS的集成度高 CCD與 CMOS比較 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CMOS的填充因子較低 ? CCD CMOS CCD與 CMOS比較 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CMOS Camera CCD與 CMOS比較 卷簾式快門 CMOS引起的畸變 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 ? CCD的基本結(jié)構(gòu)非常簡單，就是 MOS電容。這個電阻的熱噪聲在復(fù)位時會通過節(jié)點(diǎn)電容疊加到信號上輸出形成復(fù)位噪聲。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 OD OS RD R SW 輸出節(jié)點(diǎn) 襯底 輸出 FET 復(fù)位 FET 相加阱 20?m 輸出漏極 (OD) 輸出源極 (OS) 輸出管柵極 輸出節(jié)點(diǎn) R 復(fù)位漏極 (RD) 相加阱 (SW) 串行寄存器最后的幾個電極 串行寄存器電極 典型 CCD 片內(nèi)放大器的顯微照片和片內(nèi)放大器的線路圖 . 電荷的測量 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 +5V 0V 5V +10V 0V R SW Vout 當(dāng)電荷包移至串行寄存器的末端時，片內(nèi)輸出節(jié)點(diǎn)電容和輸出管 (放大器 )對電荷包進(jìn)行測量。 ? 準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次開始接雨水（曝光）。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的收集 擴(kuò)散長度 為了使 CCD中電子能夠通過擴(kuò)散和漂移到達(dá)指定的收集區(qū)，可以通過特定的摻雜分布和電場分布設(shè)計(jì)來達(dá)到。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD曝光時，每個像元有一個電極處于高電位 。 x： 吸收 y ：復(fù)合 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7收 集 區(qū)硅 基 底電 極Xye e e 圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜！ 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 Foveon X3 Sensors 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 Foveon X3 Sensors The Foveon X3 Sensor The Bayerfilter Image Sensor 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 可以用量子效率計(jì)算響應(yīng)度，響應(yīng)度的單位是A/W或 。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 空氣或真空的折射率為 ， 硅為 。對于本征 (intrinsic)硅有： ][)( meVEEhcggc ?? ??eVE g ? mc ?? ?c?? ?c?這是 CCD長波限制，短波如何？ 23 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 能帶理論復(fù)習(xí) 電子一旦被激發(fā)到導(dǎo)帶，它就可以在單晶硅的晶格附近自由運(yùn)動了。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)屬于金剛石晶格 :每個原子被四個最鄰近的原子所包圍 。 影響 QE的因素有吸收 (absorption)、反射 (reflection)和穿越 (transmission) 等。 ni ns 在兩種不同折射率物質(zhì)的界面上光子的反射率為 = [ ] nsni ns+ni 2 電荷的生成 降低反射 空氣 硅 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 加入增透膜以后，有三種介質(zhì)需要考慮： [ ] ns x nint 2 ns x ni+nt 2 2 當(dāng) 時反射率將降為零！ 滿足這個條件材料的折射率為 nt = ，幸運(yùn)的是這種