CCD圖像傳感器.ppt

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1、第十三章CCD圖像傳感器第十三章CCD圖像傳感器光固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導(dǎo)體光敏傳感器，以電荷轉(zhuǎn)移為核心，可以完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、傳輸、處理，具有體積小、重量輕、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可探測(cè)可見(jiàn)光、紫外光、x射線、紅外光、微光和電子轟擊等，廣泛用于圖像識(shí)別和傳送，例如攝像系統(tǒng)、掃描儀、復(fù)印機(jī)、機(jī)器人的眼睛等。固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三種：一種是電荷耦合器件（charge-CoupledDevices，簡(jiǎn)稱CCD）；第十三章CCD圖像傳感器第二種是MOS型圖像傳感器，又稱自掃描光電二極管陣列（SelfScannedPhohodiodeArray，簡(jiǎn)稱SSPA）；

2、第三種是電荷注入器件（chargeInjectionDevice，簡(jiǎn)稱CID）。目前前兩者用得最多，CCD型圖像傳感器噪聲低，在很暗的環(huán)境條件下性能仍舊良好；MOS型圖像傳感器質(zhì)量很高，可用低壓電源驅(qū)動(dòng)，且外圍電路簡(jiǎn)單，下面分別介紹。13.1電荷耦合器件（CCD）CCD是一種以電荷包的形式存貯和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件，是在MOS結(jié)構(gòu)電荷存貯器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以有人將其稱為“排列起來(lái)的MOS電容陣列”。一個(gè)MOS電容器是一個(gè)光敏元，可以感應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)，則若一個(gè)圖像有多少個(gè)像素點(diǎn)，就需要同樣多個(gè)光敏元，即采集一幅圖像需要含有許多MOS光敏元的大規(guī)模集成器件。13.1.1

3、MOS光敏元的結(jié)構(gòu)與原理下圖給出了P型半導(dǎo)體MOS光敏元的結(jié)構(gòu)圖，制備時(shí)先在P-Si片上氧化一層SiO2介質(zhì)層，其上再沉積一層金屬Al作為柵極，在P-Si半導(dǎo)體上制作下電極。半導(dǎo)體與SiO2界面的電荷分布其工作原理為：在柵極上突然加一個(gè)VG正脈沖（VG>VT閾值電壓），金屬電極板上就會(huì)充上一些正電荷，電場(chǎng)將P-Si中SiO2界面附近的空穴排斥走，在少數(shù)電子還未移動(dòng)到此區(qū)時(shí)，在SiO2附近出現(xiàn)耗盡層，耗盡區(qū)中的電離物質(zhì)為負(fù)離13.1.1MOS光敏元的結(jié)構(gòu)與原理此時(shí)半導(dǎo)體表面處于非平衡狀態(tài)，表面區(qū)有表面電勢(shì)Φs，若襯底電位為0，則表面處電子的靜電位能為-qΦs。在半導(dǎo)體空間電荷

4、區(qū)，電位的變化可由泊松方程確定。設(shè)半導(dǎo)體與SiO2界面為原點(diǎn)，耗盡層厚度為xd，泊松方程及邊界條件為：式中V(x)為距離表面x處的電勢(shì)；E為x處的電場(chǎng)；NA為P-Si中摻雜物質(zhì)的濃度；ε0、εS分別為真空和SiO2的介電常數(shù)?？山獾茫?3.1.1MOS光敏元的結(jié)構(gòu)與原理于是如上圖所示，半導(dǎo)體與絕緣體界面x=0處的電位為：因?yàn)棣祍大于0，電子位能-qΦs小于0，則表面處有貯存電荷的能力，一旦有電子，這些電子就會(huì)向耗盡層的表面處運(yùn)動(dòng)，表面的這種狀態(tài)稱為電子勢(shì)阱或表面勢(shì)阱。若VG增加，柵極上充的正電荷數(shù)目也增加，在SiO2附近的P-Si中形成的負(fù)離子數(shù)目相應(yīng)增加，耗盡區(qū)的寬度增加

5、，表面勢(shì)阱加深。另外，若形成MOS電容的半導(dǎo)體材料是N-Si，則VG為負(fù)電壓時(shí)，會(huì)在SiO2附近的N-Si中形成空穴勢(shì)阱。13.1.1MOS光敏元的結(jié)構(gòu)與原理當(dāng)光照射到MOS電容器上時(shí)，半導(dǎo)體吸收光子能量，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，少數(shù)電子會(huì)被吸收到勢(shì)阱中。光強(qiáng)越大，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)越多，勢(shì)阱中收集的電子數(shù)就越多；反之，光越弱，收集的電子數(shù)越少。因此勢(shì)阱中電子數(shù)目的多少可以反映光的強(qiáng)弱，從而說(shuō)明圖像的明暗程度。于是，這種MOS電容器實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)向電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)變。若給光敏元陣列同時(shí)加上VG，整個(gè)圖像的光信號(hào)將同時(shí)變?yōu)殡姾砂嚵小．?dāng)有部分電子填充到勢(shì)阱中時(shí)，耗盡層深度和表面勢(shì)將隨著電荷

6、的增加而減?。ㄓ捎陔娮拥钠帘巫饔茫谝欢ü鈴?qiáng)下一定時(shí)間內(nèi)勢(shì)阱會(huì)被電子充滿），所以收集電子的量要調(diào)整適當(dāng)。13.1.1MOS光敏元的結(jié)構(gòu)與原理當(dāng)光照射到MOS電容器上時(shí)，半導(dǎo)體吸收光子能量，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，少數(shù)電子會(huì)被吸收到勢(shì)阱中。光強(qiáng)越大，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)越多，勢(shì)阱中收集的電子數(shù)就越多；反之，光越弱，收集的電子數(shù)越少。因此勢(shì)阱中電子數(shù)目的多少可以反映光的強(qiáng)弱，從而說(shuō)明圖像的明暗程度。于是，這種MOS電容器實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)向電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)變。若給光敏元陣列同時(shí)加上VG，整個(gè)圖像的光信號(hào)將同時(shí)變?yōu)殡姾砂嚵?。?dāng)有部分電子填充到勢(shì)阱中時(shí)，耗盡層深度和表面勢(shì)將隨著電荷的增加而減小（由于

7、電子的屏蔽作用，在一定光強(qiáng)下一定時(shí)間內(nèi)勢(shì)阱會(huì)被電子充滿），所以收集電子的量要調(diào)整適當(dāng)。13.1.2電荷轉(zhuǎn)移原理設(shè)想在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，將電荷包陣列一個(gè)一個(gè)自掃描并從同一輸出端輸出，形成圖像時(shí)，域脈沖串，即每一電荷包信號(hào)不斷向鄰近的光敏元轉(zhuǎn)移，間距為15μm~20μm。若兩個(gè)相鄰MOS光敏元所加的柵壓分別為VG1Φ1，電子的靜電位能-qΦ2<-qΦ1<0，則VG2吸引電子能力強(qiáng)，形成的勢(shì)阱深，即1中的電子有向2中下移的趨勢(shì)。若串聯(lián)很多光敏元，且使