光電成像ppt課件(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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射的二次電子所產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，同時產生的信號電流由信號板輸出，在負載電阻上產生視頻電壓信號。 ? 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，被掃描時經電子束補充恢復到陰極電位，而在外電路產生脈沖電流，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 ? 攝像管的發展方向 在今后一段時間內，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 方向發展。要實現上述功能，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 數字信號 ，數字信號經過壓縮處理經 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的電勢差來表征，即表面勢。 ? 勢阱的深淺還與勢阱內是否存儲電荷有關，產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，由于熱激發所產生的電子 空穴對，空穴被耗盡區電場驅到襯底，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為零，表面勢就不再變化了，達到飽和狀態（熱平衡狀態），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是在非平衡狀態下工作的 。趁 MOS電容器剛加上電壓，還沒達到平衡狀態以前進行光注入 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的。 ? CCD傳輸信號電荷是通過電極上加不同的電壓來實現的，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分為二相系統、三相系統和四相系統。 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； (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