1、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD成像技术及其在遥感中的应用第二章 CCD工作原理郝志航中国科学院长春光学精密机械与物理研究所内容 CCD工作过程 电荷的生成 电荷的收集 电荷包的转移 电荷包的测量 CCD与 CMOS比较 小结参考书1 电荷耦合器件原理与应用 王以铭 科学出版社 1987年2 CCD Arrays Cameras and Displays Gerald C. Holst SPIE 1998中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD的工作过程1 前照明光输入1 背照明光输入2 电荷生成3 电荷收集4 电荷转移5 电荷测量视频输出此图摘自 James Janesick
2、 “Dueling Detectors”中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD的性能很大程度上是由电荷图像的生成决定的， CCD电荷图像的生成是 CCD工作最重要的过程之一。电荷的生成CCD电荷图像的 生成过程 就是光电转换的过程；CCD电荷图像的 生成机理 是半导体的光电效应；CCD电荷图像的 生成理论 是固体物理的能带理论。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所硅和锗都是金刚石晶格结构半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格 :每个原子被四个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围 4个原子共用 4对电子。这种共用电子对的结构称为 共价键 。每个电子对组成一个共价
3、键，组成共价键的电子称为 价电子 。 价电子 通常位于价带，不能导电。 4 4 4 4 4电荷的生成 能带理论复习能量增加价带导带1.12 eV 硅的能级图共价键示意图中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要超过价带与导带之间的能隙 Eg(硅的 Eg 1.12eV,砷化镓的 Eg 1.42eV)。photonphoton空穴 电子电荷的生成 能带理论复习中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的生成如果一个入射光子的能量 (Eph)大于或等于这种材料导带与价带之间的能隙 (Eg)，就可以把一个电子激发到导带而成为
4、自由电子。用公式表示如下 :其中 h为普朗克常数，为频率，为波长， c是光速。 2-12-2中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的生成光电效应中有一个临界波长（ ），定义为：当 时，光子没有足够的能量将电子由价带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对于本征 (intrinsic)硅有： 这是 CCD长波限制，短波如何？2-3中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的生成 能带理论复习电子一旦被激发到导带，它就可以在单晶硅的晶格附近自由运动了。电子离开后所形成的空穴成为一个带正电的载流子。在没有外电场的情况下，这样的一对电子和空穴会在一定时间 (复合寿命 )内将复合并湮灭。在 CCD中，利用一个电场把这些载流子收集起来，防止他们的复合。 如何收集电荷？中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的生成 有关参数与 CCD电荷生成过程有关的参数是量子效率 (QE)和暗电流。影响 QE的因素有吸收 (absorption)、反射 (reflection)和穿越 (transmission) 等。影响暗电流的因素主要是温度。
