2019CCD圖像傳感器詳解

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1、CCD圖像傳感器詳解　　CCD圖像傳感器　　CCD全稱為電荷耦合器件，是70年代發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件。它是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，故在固體圖像傳感器、信息存貯和處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。CCD圖像傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實(shí)、多層次的內(nèi)容豐富的可視圖像信息，被廣泛應(yīng)用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室用的數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)多道分析器等儀器，都用了CCD

2、作圖象探測元件。　　一個(gè)完整的CCD器件光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)光敏單元對光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少。取樣結(jié)束后各光敏元電荷轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。將輸出信號(hào)接到示波器、圖象顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，就可對信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。于CCD光敏元可做得很小，所以它的圖象分辨率很高。一．CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存貯電荷原理　　CCD的基本單元是MOS電容器，這種電容器能存貯電荷，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。以P型硅

3、為例，在P型硅襯底上通過氧化在表面形成SiO2層，然后在SiO2上淀積一層金屬為柵極，P型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)金屬電極上施加正電壓時(shí)，其電場能夠透過SiO2絕緣層對這些載流子進(jìn)行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，剩下的帶負(fù)電的少數(shù)載流子在緊靠SiO2層形成負(fù)電荷層，電子一旦進(jìn)入于電場作用就不能復(fù)出，故又稱為電子勢阱?！　‘?dāng)器件受到光照時(shí)，光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，這時(shí)出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的。光越強(qiáng)，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量，

4、實(shí)現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)，即使停止光照一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對光照的記憶?！　〗饘傺趸铩　‰娮印　∩贁?shù)載流子耗盡區(qū)PSi　　靜電位能　　表面勢　　勢阱信號(hào)電荷　　圖1CCD結(jié)構(gòu)和工作原理圖　　(a)用作少數(shù)載流子貯存單元的MOS電容器剖面圖　　(b)有信號(hào)電荷的勢阱，圖上用阱底的液體代表　　總之，上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是個(gè)微小的MOS電容，用它構(gòu)成象素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子電荷積累，潛影是各個(gè)象素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個(gè)電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經(jīng)過“顯影”

5、就實(shí)現(xiàn)了圖象的傳遞。二．電荷的轉(zhuǎn)移與傳輸　　CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器，它的表面不透光的鋁層覆蓋，以實(shí)現(xiàn)光屏蔽。上面討論可知，MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深，當(dāng)外加電壓一定，勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小。利用這一特性，通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺。制造時(shí)將MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”。認(rèn)為相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠小，在信號(hào)電荷自感生電場的庫侖力推動(dòng)下，就可使信號(hào)電荷淺處流向深處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移?！　榱吮ＷC信號(hào)電荷按確定路線轉(zhuǎn)移，通常MOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為

6、嚴(yán)格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖。下面我們分別介紹三相和二相CCD結(jié)構(gòu)及工作原理。1.三相CCD傳輸原理　　簡單的三相CCD結(jié)構(gòu)如圖2所示。每一級(jí)也叫一個(gè)像元，有三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)電極的所有電極都接在一起，3個(gè)相　　0　　位相差120的時(shí)鐘脈沖φ1、φ2、φ3來驅(qū)動(dòng)，故稱三相CCD，圖2為斷面圖；圖為俯視圖；圖給出了三相時(shí)鐘之間的變化。在時(shí)刻t1,第一相時(shí)鐘φ1處于高電壓，φ2、φ3處于低壓。這時(shí)第一組電極1、4、7下面形成深勢阱，在這些勢阱中可以貯存信號(hào)電荷形成“電荷包”，如圖所示。在t2時(shí)刻φ1電壓線性減少，φ2為高電壓，在第一組電極下的勢

7、阱變淺，而第二組電極下形成深勢阱，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移，直到t3時(shí)刻，φ2為高壓，φ1、φ3為低壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。重復(fù)上述類似過程，信息電荷可從φ2轉(zhuǎn)移到φ3，然后從φ3轉(zhuǎn)移到φ1電極下的勢阱中，當(dāng)三相時(shí)鐘電壓循環(huán)一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，電荷包向右轉(zhuǎn)移一級(jí)，依次類推，信號(hào)電荷一直電極1、2、3N向右移，直到輸出。　　(a)　　t1t2t3　　(c)　　t1t2t3t4　　圖2三相CCD傳輸原理圖　　(b)　　(d)　　2．二相CCD傳輸原理　　CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢阱的非對稱性實(shí)現(xiàn)的.在三相CCD中是靠時(shí)鐘脈沖的時(shí)序控制,來形成非

8、對稱勢阱.