【文章內(nèi)容簡介】 qp qn qr qs ++++ 電子束 ? 設入射的光電子電荷為 qp，在光電子激發(fā)下釋放出的自由二次電子電荷為 qn，其中 qs電荷被信號板所收集，有 qr電荷將在到達信號板前與發(fā)射的二次電子所產(chǎn)生的正電荷中心相復合。所以到達信號板的總電荷 qs=qnqr。到達信號板的電子將引起靶的局部放電，所以當移像部分把光圖像成像于靶上時，在KCl層的右側留下與之對應的正電荷圖像。 ? 因為 KCl膜的電阻率很高，正離子的遷移速度很小，所以圖像可以維持很長時間，直到掃描電子束將其抹平，使之恢復陰極電位，同時產(chǎn)生的信號電流由信號板輸出，在負載電阻上產(chǎn)生視頻電壓信號。 ? 總結： 二次電子在靶電場作用下流向信號板，而在靶上留下一個正電荷圖像，被掃描時經(jīng)電子束補充恢復到陰極電位，而在外電路產(chǎn)生脈沖電流，形成圖像的視頻信號。 ? 信號讀出方式： ① 直接讀出方式：電子束直接上靶而取得信號。 ② 返束讀取方式：電子束接觸到靶面時，對于電勢高的像素，上靶的電子多，返回的電子少，這樣返回的電子就荷載了圖像信息。 ③ 散射電子束讀取方式：散射電流的大小與像素電勢高低成正比。 ? ２．硅增強靶攝象管（ SIT） ? 像增強器 +普通硅靶 =增強型硅靶 ? 攝像管的發(fā)展方向 在今后一段時間內(nèi)，攝像器件主要朝著 高靈敏、高分辨率、低功耗、低成本和小型化 方向發(fā)展。要實現(xiàn)上述功能，采用CMOS工藝是關鍵。 ? 固體成像器件： ? CCD（電荷耦合器件）、 ? SSPD（自掃描光電二極管列陣）、 ? CMOS（互補性金屬氧化物半導體元件 ） ? CCD有 面陣 和 線陣 之分： ? 面陣是把 CCD像素排成 1個平面的器件； ? 線陣是把 CCD像素排成 1直線的器件。 固體成像器件 電荷耦合器件 ? ChargeCoupled Devices(CCD)，是一種金屬 氧化物 半導體結構（ MOS結構）， 1970年由貝爾實驗室首先研制出來。 ? 它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把 光 線轉變成 電荷 ，然后通過 A/D轉換器芯片將電信號轉換成 數(shù)字信號 ，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮處理經(jīng) USB接口傳到電腦上就形成所采集的 圖像 。 ? CCD器件的突出特點就是 以電荷作為信號 ，而不同于其它大多數(shù)器件 (以電流或電壓作為信號 )。 一． 金屬 氧化物 半導體結構 (MOS結構 ) ? CCD是由許多個光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。 ? 每個像元就是一個 MOS電容器 (大多為光敏二極管 )，如圖所示， 光線 ? 它是在 P型 Si襯底表面上用氧化的辦法生成 1層厚度約為 1000A～1500A的 SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一金屬層 (多晶硅或金屬 )，在襯底和金屬電極間加上 1個偏置電壓，就構成 1個 MOS電容器。 P（ N） Si SiO2 Al電極（柵極 ） ?m 15~20 ?m ? 按電極的排列形式分： 線陣、面陣 ? 按電極形狀分： 平板式、臺階式 ? 按 Si片的導電類型分： N型、 P型 ? 下面以 PSi為襯底、平板式電極、線陣CCD為例。 P（ N） Si 二． 電荷耦合原理 1. 電荷存儲 ? 當電極上加有正偏壓（對于 N型 Si襯底則加負偏壓），它形成的電場穿過 SiO2薄層排斥P型 Si中的多數(shù)載流子（空穴），于是在電極下形成一個耗盡層，即得到一個儲存少數(shù)載流子（電子）的勢阱。 5V 10V 5V 5V 1 4 3 2 ? ? 所加偏壓越大，勢阱就越深。勢阱深度可用半導體表面相對于半導體內(nèi)的電勢差來表征，即表面勢。 ? 勢阱的深淺還與勢阱內(nèi)是否存儲電荷有關，產(chǎn)生存儲電荷的方法有電注入、光注入、熱注入等方法。 ? 當電極上加正電壓時，在時刻 t=0時，由于電極下的勢阱還沒有收集少數(shù)載流子（電子），所以在 SiO2Si的界面處還沒有形成反型層。此時， P型 Si的表面勢最大，所形成的耗盡層寬度最寬，即勢阱最深。如圖（ a）所示。 Xd t=0 Xd t=t1 + t=t2 熱平衡 （ a） （ b） （ c） ? 隨著時間的增加，由于熱激發(fā)所產(chǎn)生的電子 空穴對，空穴被耗盡區(qū)電場驅到襯底，而電子被吸引到 Si表面形成了反型層。在反型層對外電場的屏蔽下，使表面勢減小，同時降低了耗盡層的寬度。如圖（ b）。 Xd t=0 Xd t=t1 + t=t2 熱平衡 （ a） （ b） （ c） ? 當足夠數(shù)目的電子匯集在表面時，勢阱中存儲的電子足以使勢阱的深度變?yōu)榱?，表面勢就不再變化了，達到飽和狀態(tài)（熱平衡狀態(tài)），此時離開表面的擴散電流和流向表面的漂移電流達到動態(tài)平衡。達到熱平衡所需要的時間稱為 熱馳豫時間 。在室溫下，熱馳豫時間為 1S幾 S，與其結構和工藝有關。如圖（ c）。 Xd t=0 Xd t=t1 + t=t2 熱平衡 （ a） （ b） （ c） ? 在飽和狀態(tài)下并不存在有用的勢阱。 CCD要存儲有用的信號電荷，則要求信號電荷的存儲時間遠遠于小于熱馳豫時間，即CCD是在非平衡狀態(tài)下工作的 。趁 MOS電容器剛加上電壓，還沒達到平衡狀態(tài)以前進行光注入 Xd t=t1 + +++++ 信號電荷 ? 讓一束光線投射到 MOS電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入 P型 Si襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶，電子躍遷形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷儲存在由電極形成的“勢阱”中。如圖所示。 +++++ 信號電荷 ? 收集在勢阱中的“電荷包”的大小與入射光的照度成正比。 ? 當 CCD用作拍攝光學圖像時，把按照度分布的光學圖像通過光電轉換成為電荷分布，注入到每一位深勢阱中。 ? 在熱馳豫過程終結前較長時間，勢阱中熱電子的成分遠遠小于光生電子，所以 勢阱中積存的電荷量代表了入射光強度信息 。 ? 光生電荷存儲的 CCD——CID CID構成的攝像機 ——ICCD 2. 電荷轉移（電荷耦合） ? 由 MOS結構的工作原理可知， CCD存儲信號是通過電極上加電壓來實現(xiàn)的。 ? CCD傳輸信號電荷是通過電極上加不同的電壓來實現(xiàn)的，依靠 CCD本身各電極下勢阱形狀的變化使電荷轉移。 5V 10V 5V 5V 1 4 3 2 5V 10V 5V 15V 1 4 3 2 ? 當電極 3所加偏壓增到 15V時，電極 3下的勢阱將比電極 2下的勢阱更深，于是電極 2下存儲的電荷將沿界面移向電極 3下的勢阱。 ? 外加在柵級上的電壓愈高，表面勢越高，勢阱越深。淺勢阱至深勢阱交替改變柵級電壓，使勢阱形狀變化，完成電荷轉移。 ? 電荷轉移過程 =信息輸出過程 ——自掃描。 ? 通常電極結構按所加脈沖電壓的相數(shù)分為二相系統(tǒng)、三相系統(tǒng)和四相系統(tǒng)。 ① 三相 CCD的電荷轉移 1 4 3 2 5 6 7 ?3 ?2 ?1 第一位 第二位 n位 ?? ?? ?? 三相 CCD結構 （ a）初始狀態(tài)； (b)電荷由①電極向②電極轉移； (c)電荷在①、②電極下均勻分布； (d)電荷繼續(xù)由①電極向②電極轉移； (e)電荷完全轉移到②電極； (f)3相交疊脈沖。 ? 假設電荷最初存儲在電極① (加有 10V電壓 )下面的勢阱中，如圖 (a)所示，加在 CCD所有電極上的電壓，通常都要保持在高于某一臨界值電壓 Vth， Vth稱為 CCD閾值電壓，設 Vth=2V。所以每個電極下面都有一定深度的勢阱。顯然，電極①下面的勢阱最深。 ? 如果逐漸將電極②的電壓由 2V增加到 10V，這時，①、②兩個電極下面的勢阱具有同樣的深度，并合并在一起，原先存儲在電極①下面的電荷就要在兩個電極下面均勻分布，如圖 (b)和 (c)所示。 ? 然后再逐漸將①電極下面的電壓降到 2V，使其勢阱深度降低，如圖中 (d)和 (e)所示，這時電荷全部轉移到電極②下面的勢阱中，此過程就是電荷從電極①到電極②的轉移過程。 ? 如果電極有許多個，可將其電極按照 7… ， 8… 和 9… 的順序分別連在一起，加上一定時序的驅動脈沖，如圖 (f)所示，即可完成電荷從左向右轉移的過程。用 3相時鐘驅動的 CCD稱為 3相 CCD。 ? 為了更好地傳輸電荷，要求耗盡層交疊，使鄰近電極的表面電勢光滑地過渡，為此要求電極緊密地排列，一般鋁電極之間