显微镜摄像头CCD的构造和工作原理

2021-08-27 09:34:27 admin 10

显微镜摄像头(CCD) ,也叫电荷耦合器件,它 是基于硅的集成电路,由密集的光电二极管矩阵组成,通过将光子形式的光能转换为电荷来工作。由光子与硅原子相互作用产生的电子存储在势阱中,随后可以通过寄存器跨芯片传输并输出到放大器。图 1 所示的示意图显示了构成典型 CCD 解剖结构的各种组件。

CCD 是 1960 年代后期由贝尔实验室的研究科学家发明的,他们最初将这一想法设想为一种新型的计算机存储电路。后来的研究表明,由于该器件具有转移电荷和光电与光相互作用的能力,因此也可用于其他应用,如信号处理和成像。新存储设备的早期希望几乎消失了,但 CCD 正在成为通用电子成像检测器的主要候选者之一,能够在新兴的数字显微摄影领域取代胶片。

CCD 制造在硅晶片上,很像集成电路,在一系列复杂的光刻步骤中进行处理,包括蚀刻、离子注入、薄膜沉积、金属化和钝化,以定义设备内的各种功能。硅衬底被电掺杂以形成p型硅,其中主要载流子是带正电的电子空穴的材料。在用金刚石锯切割、测试并封装到陶瓷或聚合物外壳中之前,每个芯片都能够产生一个工作器件,每个芯片都能够产生一个工作器件在 CCD 表面。使用我们的交互式 Java 教程探索构建 CCD 所需的步骤序列,该教程从对话框中链接。


构建电荷耦合器件

探索在构建电荷耦合器件 (CCD) 时使用的步骤,因为单个像素门的一部分与数千甚至数百万个相邻元件同时制造在硅晶片上。

当紫外线、可见光或红外线光子撞击位于 CCD 光电二极管中或附近的硅原子时,它通常会产生一个自由电子和一个“空穴”,这是由于硅晶格中暂时没有电子而产生的。自由电子随后被收集在势阱中(位于硅深处的耗尽层区域),而空穴被迫远离阱并最终被转移到硅衬底中。单个光电二极管通过通道停止与它们的相邻光电二极管电隔离,该通道停止是通过将硼离子通过掩模扩散到 p 型硅衬底中而形成的。

CCD 的主要结构特征是大量串行移位寄存器,由垂直堆叠的掺杂多晶硅导电层构成,通过二氧化硅绝缘薄膜与硅半导体衬底隔开(见图 2)。在阵列的每个光电二极管中收集到电子后,将电压电位施加到多晶硅电极层(称为栅极)以改变下面硅的静电电位。然后,直接位于栅电极下方的硅衬底成为一个势阱,能够收集由入射光产生的局部电子。相邻的栅极通过形成更高电位的区域(称为势垒)来帮助将电子限制在势阱内,围井。通过调制施加到多晶硅栅极的电压,它们可以被偏置以形成势阱或阻挡光电二极管收集的集成电荷。

最常见的 CCD 设计具有一系列栅极元件,这些栅极元件通过水平行中的三个势阱将每个像素细分为三分之一。每个光电二极管势阱能够容纳决定 CCD 动态范围上限的多个电子。在称为积分的时间段内被入射光子照射后,CCD 光电二极管阵列中的势阱被硅基板耗尽层中产生的电子填充。这种存储电荷的测量是通过将累积电荷的串行和并行传输组合到芯片边缘的单个输出节点来完成的。并行电荷转移的速度通常足以在下一个图像的电荷积分期间完成。

在势阱中收集后,电子通过垂直移位寄存器时钟产生的信号并行移动,一次一行。电子通过多步过程(从两步到四步不等)跨每个光电二极管转移。这种转变是通过改变保持阱的电位为负,同时将下一个电极的偏置增加到正值来实现的。垂直移位寄存器时钟按周期运行,以改变垂直栅极的交替电极上的电压,以便在 CCD 上移动累积的电荷。图 1 说明了与位于一行 CCD 门内的传输门相邻的光电二极管势阱。

四相CCD时钟方案

探索在四相电荷耦合器件时钟方案中电荷如何从移位寄存器转移到输出节点。

在穿过并行移位寄存器门阵列后,电荷最终到达称为串行移位寄存器的专门的门行这里,代表每个像素的电子包在水平移位寄存器时钟的控制下依次水平移位,朝向输出放大器并离开芯片。在加载来自并行寄存器的下一行电荷包之前,水平移位寄存器的全部内容被传输到输出节点。在输出放大器中,电子包从第一行开始到最后一行记录从左到右连续光电二极管产生的电荷量。这产生了来自光电二极管传感器元件的整个二维阵列的光生电荷的模拟光栅扫描。

有多种 CCD 元件和设计在我们的数字成像技术概念回顾中的其他部分中进行了讨论其中包括几个建筑主题、防晕电子漏、微透镜阵列、像素合并、时钟方案、扫描格式,以及基本了解电荷耦合器件理论和操作所需的其他主题。