《CCD圖像傳感器》PPT課件.ppt

《《CCD圖像傳感器》PPT課件.ppt》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、CCD圖像傳感器ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件簡稱）是貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的,由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件,廣泛應(yīng)用于科學、教育、醫(yī)學、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費領(lǐng)域。CCD圖像傳感器簡介CCD實物常見的基于CCD光電耦器件的設(shè)備嫦娥二號攜帶的CCD立體攝像機CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成

2、的陣列。在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極）,形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：1.MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）光敏元陣列；2.讀出移位寄存器。電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。MOS光敏元結(jié)構(gòu)MOS（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容器是構(gòu)成CCD的

3、最基本單元。CCD分辨率分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣＤ上有多少感光組件，分辨率是圖像傳感器的重要特性。（像素=分辨率長寬數(shù)值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）CCD分辨率主要取決于CCD芯片的像素數(shù)。其次，還受到傳輸效率的影響。高度集成的光敏單元可以獲得高分辨率。但光敏單元的尺寸的減少將導(dǎo)致靈敏度的降低。CCD基本工作原理1.信號電荷的產(chǎn)生2.信號電荷的存貯3.信號電荷的傳輸4.信號電荷的檢測工作原理CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電

4、效應(yīng)（也就是光生伏打效應(yīng)）。1.信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的產(chǎn)生（示意圖）金屬電極氧化物半導(dǎo)體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOS電容器CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生電子—空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強度成正比。2、信號電荷的存儲一個MOS結(jié)構(gòu)元

5、為MOS光敏元或一個像素，把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個金屬電極加電壓，就形成成百上千個勢阱；如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。信號電荷的存儲（示意圖）e-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUGUth時在柵極G電壓為零時，P型半導(dǎo)體中的空穴(多數(shù)載流子)

6、的分布是均勻的。當施加正偏壓UG(此時UG小于p型半導(dǎo)體的閩值電壓Uth)，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)。電壓繼續(xù)增加，則耗盡區(qū)將進一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。每個光敏元（像素）對應(yīng)有三個相鄰的轉(zhuǎn)移柵電極1、2、3,所有電極彼此間離得足夠近,以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的1電極相連并施加時鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時鐘脈沖φ2、φ3。這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭。三個時鐘脈沖的時序Ф3P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2CCD的MOS結(jié)構(gòu)CCD工作過程的第三步是信號

7、電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。通過按一定的時序在電極上施加高低電平，可以實現(xiàn)光電荷在相鄰勢阱間的轉(zhuǎn)移。3、信號電荷的傳輸（耦合）(a)初始狀態(tài)；(b)電荷由①電極向電極②轉(zhuǎn)移；(c)電荷在①②電極下均勻分布；(d)電荷繼續(xù)由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到②電極；(f)三相轉(zhuǎn)移脈沖圖中CCD的四個電極彼此靠的很近。假定一開始在偏壓為10V的(1)電極下面的深勢阱中，其他電極加有大于閾值的較低的電壓(例如2V)，如圖(a)所示。一定時刻后，(2)電極由2V變?yōu)?/p>

8、10V，其余電極保持不變，如圖(b)。因為(1)和(2)電極靠的很近(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起，原來在(1)下的電荷變?yōu)?1)和(2)兩個電極共有，圖(C)示。此后，改變(1)電極上10V電壓為2V，(2)電極上10V不變，