CCD图像传感器

传感器与检测技术
13.1.4 CCD图像传感器
（１）行传输（LT）面阵型CCD 下图(a)给出了LT面阵CCD的结构。它由选址电路、感光区、输出寄存器组成。 当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器转移 到输出端。行传输的缺点是需要选址电路，结构较复杂，且在电荷转移过程中，必须 加脉冲电压，与光积分同时进行，会产生“拖影”，故较少采用。
低输出寄存器的驱动率fCH，必须适当降低fcv2。而fcv1必须与感光区的积分期相适
应（大于N· fcv2)。所以，实际中应该选择适当的频率以达到最佳图像质量。 为了减少图像的闪烁，帧传输型面阵图像传感器一般采用隔行扫描的方式，即在每个
帧周期中显示两场，第一场显示所有的奇数行，第二场显示偶数行。实现这种扫描方
的2、5势阱中。
t4时刻：Φ1=0，Φ2=l／2，Φ3=1；Φ2电极下2、5势阱中的电子向Φ3电 极下的3、6势阱中转移。 t5时刻：Φ1=0，Φ2=0，Φ3=1，Φ2电极下的电子全部转移至Φ3电极下 的3、6势阱中。
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13.1.3 CCD的工作原理
如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边 产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷 包直接输出。 由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器 中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且在 时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
当光照射到 MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子 -空穴对，少 数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子 数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以 反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号 向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为 电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的 增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充 满），所以收集电子的量要调整适当。
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
下图给出了P型半导体MOS光敏元的结构图，制备时先在P-Si片上氧化一层 SiO2介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。
半导体与SiO2界面的电荷分布
其工作原理为：在栅极上突然加一个 VG正脉冲（ VG>VT阈值电压），金属 电极板上就会充上一些正电荷，电场将P-Si中SiO2界面附近的空穴排斥走，在少 数电子还未移动到此区时，在SiO2附近出现耗尽层，耗尽区中的电离物质为负离
s V ( x) x 0
2 qN A xd 2 0 s
因为Φs大于0，电子位能 -qΦs小于0，则表面处有贮存电荷的能力，一旦有 电子，这些电子就会向耗尽层的表面处运动，表面的这种状态称为电子势阱或表 面势阱。若 VG 增加，栅极上充的正电荷数目也增加，在 SiO2附近的 P-Si中形成 的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加，表面势阱加深。另外，若形成MOS 电容的半导体材料是 N-Si，则 VG为负电压时，会在 SiO2附近的 N-Si中形成空穴 势阱。
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13.1.2 电荷转移原理
设想在驱动脉冲的作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输 出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距 为 15μm~20μm 。若两个相邻 MOS 光敏元所加的栅压分别为 VG1<VG2 （如下图 所示），因VG2高，表面形成的负离子多，则表面势中Φ2>Φ1，电子的静电位能 -qΦ2<-qΦ1<0，则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，即1中的电子有向2中下 移的趋势。若串联很多光敏元，且使VG1<VG2<……< VGN，则可形成一个输运 电子的路径，从而实现电子的转移。
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
当光照射到 MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子 -空穴对，少 数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子 数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以 反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号 向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为 电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的 增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充 满），所以收集电子的量要调整适当。
线阵型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视 频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线阵型CCD 图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别等领域。
面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输 和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输3种。下面分别给以介绍。
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第十三章 CCD图像传感器
第 二 种 是 MOS 型 图 像 传 感 器 ， 又 称 自 扫 描 光 电 二 极 管 阵 列 （ Self
Scanned Phohodiode Array，简称SSPA）；第三种是电荷注入器件 （charge Injection Device，简称CID）。目前前两者用得最多，CCD 型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好； MOS 型图 像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单，下面分别介
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13.1.4 CCD图像传感器
2）帧传输（FT）面阵型CCD 图(b)给出了帧传输CCD面阵型图像传感器的结构图，它可以简称为FT-CCD，由 感光区、暂存区和输出寄存器3部分组成。感光区由并行排列的若干电荷耦合沟道组 成，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极条横贯各沟道。假设有M个转移沟道，每个沟 道有N个感光单元，则整个感光区有M· N个单元。它一般采用三相时钟驱动，如图13-
6所示，感光区的三相时钟为，IΦ1、IΦ2、IΦ3。暂存区的三相时钟为SΦ1、SΦ2、
SΦ3。读出寄存器的三相时钟为RΦ1、RΦ2、RΦ3。暂存区的结构与感光区相同，用 覆盖金属遮光。设置暂存区是为了消除“拖影”，以提高图像的清晰度并与电视图像
的扫描制式相匹配。
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高等教育 电气工程与自动化系列规划教材
第十三章 CCD图像传感器
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第十三章 CCD图像传感器
光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核 心，可以完成光电信号转换、存储、传输、处理，具有体积小、重量轻、 功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外光、x射线、红外光、微光和 电子轰击等，广泛用于图像识别和传送，例如摄像系统、扫描仪、复印机、 机器人的眼睛等。固态图像传感器按其结构可分为三种：一种是电荷耦合 器件（charge-Coupled Devices，简称CCD）；
式中V(x)为距离表面x处的电势；E为x处的电场；NA为P-Si中掺杂物质的浓 度；ε0、εS分别为真空和SiO2的介电常数。可解得：
V ( x) qN A ( x xd ) 2 2 0 s
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
于是如上图所示，半导体与绝缘体界面x=0处的电位为 ：
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
此时半导体表面处于非平衡状态，表面区有表面电势 Φs，若衬底电位为 0，则表 面处电子的静电位能为-qΦs。 在半导体空间电荷区，电位的变化可由泊松方程确定。设半导体与SiO2界面 为原点，耗尽层厚度为xd，泊松方程及边界条件为：
d 2V ( x) qN A 2 0 s 0 s dx V ( x) x x d 0 dV ( x) E x xd x xd 0 dx
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13.1.4 CCD图像传感器
CCD图像传感器从结构上可分为线阵型和面阵型两种。
线阵型 CCD 图像传感器是由一列 MOS光敏单元和一列 CCD 移位寄存器构成 的，光敏单元和寄存器之间有一个专以控制栅，基本接口如下图所示。转移控制 栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光 几分周期里，各个光敏源中所积累的光电荷与该光敏原上所接收的光照强度和光
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13.1.3 CCD的工作原理
三相三位N沟CCD器件的结构、驱动和转移示意图
由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不 同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二 相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层 厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。
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13.1.3 CCD的工作原理
t1时刻：Φ1=l，Φ2=Φ3=0；l、4Βιβλιοθήκη Baidu阱最深，2、5和3、6势阱为0。
t2时刻：Φ1=l/2，Φ2=1，Φ3=0；1、4势阱变为1/2，2、5势阱变为l，1、
4势阱中的电子会向2、5势阱中移动。 t3时刻：Φ1=0，Φ2=1，Φ3=0；Φ1电极下的电子全部转移至Φ2电极下
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13.1.3 CCD的工作原理
由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不 同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二 相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层 厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。 下图为三相三位 N 沟 CCD 器件，其中， Ip （图中未画出）为输入电极， IG （图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，OP为输出极，Φ1、Φ2、Φ3 为 3 个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为 Φ1→Φ2→Φ3→Φ1 ，且 3 个脉 冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。Φ1驱动1、4电极，Φ2驱动 2、5电极，Φ3驱动3、6电极。
绍。
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13.1 电荷耦合器件（CCD）
CCD 是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是在 MOS结构电荷存贮器的基础上发展起来的，所以有人将其称为“排列起来的
MOS电容阵列”。一个MOS电容器是一个光敏元，可以感应一个像素点，则
若一个图像有多少个像素点，就需要同样多个光敏元，即采集一幅图像需要 含有许多MOS光敏元的大规模集成器件。
积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅关闭时，MOS
光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲， 将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由一位寄存器串行输出，如此 重复上述过程。
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13.1.4 CCD图像传感器
线阵型CCD图像传感器
式，帧传输图像传感器本身的结构不需改变，只需改变感光区各相电极时序脉冲。帧
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传输图像传感器的主要优点是分辨率高、弥散性低、噪声小。缺点是由于设置暂存区，
器件面积增加了50%。
帧传输驱动结构
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13.1.4 CCD图像传感器
上图 (c)给出了行间传输面阵型CCD图像传感器的结构。它的光敏单元彼此分开，
帧传输结构的工作过程是：感光区在积分期积累起一帧电荷包，积分期结束后，感光 区和暂存区加频率为fcv1的驱动时钟，感光区的信号电荷包向下转移，至暂存区；然 后感光区进人下一个积分期，暂存区内电荷图像在频率为fcv2的时钟驱动下向读出寄 存器转移。读出寄存器以频率为fCH的时钟驱动，使电荷包一个一个输出，（fCH大 于M· fcv2）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子拖影，频率fcv1需较高，为了降