固态图像传感器
合集下载
什么叫CCD传感器
什么叫CCD传感器
于暗〔无照）电流。
④灵敏度：单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度，它主要与固态图像传感器的像元大小有关。
⑥弥散：饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，这时，过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度，这种情况称为弥散现象。
⑥残像：对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像。
⑦等效噪声曝光量：产生与暗输出（电压）等值时的曝光量称为传感器的等效噪声曝光量。
tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。仅供参阅！
第10章 其他传感器及传感器发展趋势-检测技术与传感器应用-张建奇-清华大学出版社
从t1时刻到t2时刻时，第一电极栅极电压保持不变，而第二个电 极也加上了栅极电压，则第一、第二电极下的各自独立的势阱将合
并在一起，第一个电极下势阱所拥有的电荷被合并成的新势阱所拥 有。到时刻t3时，由于第一个电极的栅极电压被取消，导致第一个 电极下的势阱消失，这时第一个电极下势阱原来所拥有的电荷都耦
当有光照时，光子能量大于半导体禁带宽度，光生电子在正偏压 下迅速注入势阱；光照越强，注入的光生电子就越多，此时势阱中 的光生电子数反映光照强度，故称势阱中的电荷为信号电荷。这样， 就把光的强弱变成电荷的数量的多少，实现光电的转换。
势阱中的电子是被存储状态，即使停止光照，一定时间内不会 丢失，实现对光的记忆。
10.1.1 CCD基本结构
CCD是由按一定规律排列的MOS（金属一氧化物一半导体）阵 列组成，阵列中的每一个基本单元是一个MOS电容器。MOS基本单 元是在P型（或N型）硅单晶的衬底上生成一层很薄（约120nm）的 SiO2绝缘层，再在其上沉积一层金属铝电极，因而具有金属一氧化 物一半导体三层结构，如图10.1（a）所示
耗尽区是一个低电势区，故又称其为势阱，正偏压越大，势阱 越深，能收集的电子越多。但是，在外界没有电荷注入的情况下， 只有热生电子掉入势阱而形成暗电流；如此同时热生空穴流向衬底， 并很快达到热平衡状态，这一短暂的过程，称之为热驰豫过程。
达到稳定状态的MOS基本单元可等效为一个电容器，如图10-1 （b）所示，
固态图像传感器的作用及实际应用
感 器 利 用 光 敏 单 元 的 光 电转 换 功 能 将 投 射 到 光 敏 单
３ 传 感 器 分 类 、 构 及 特 性 结
从使 用观 点 ，可将 固态 图像 传 感 器 分 为线 型 和面 型
固态传 感 器 两 类 。根 据 所 用 的敏 感 器 件 不 同 ，又 可 分 为
元 上 的 光 学 图 像 转 换 成 电信 号 “ 像 ” 即 将 光 强 的 空 图 ，
１ 概 述
掉 半 导体 衬 底 内 的 多 数 载 流 子 ， 成 “ 阱 ” 运 动 ， 形 势 的
进 而达 到 信 号 电 荷 （ 数 载 流 子 ） 转 移 。如 果 所 转 移 少 的 的 信 号 电荷 是 由 光 像 照 射 产 生 的 ， 则 ＣＣＤ 具 备 图 像 传 感 器 的 功 能 。若 所 转 移 的 电荷 通 过 外 界 注 入 方 式 得
图像 传 感 器 是 利 用 光 电器 件 的 光 一 电转 换 功 能 ， 将 其 感 光 面 上 的 光 像 转 换 为 与 光 像 成 相 应 比 例 关 系 的 电信 号 “ 图像 ” 一 种 功 能 器 件 。光 导 摄 像 管 就 是 一 的 种图像传 感器 。
到的 ， Ｃ 则 ＣＤ 还 可 以 具 备 延 时 、 号 处 理 、 据 存 储 信 数 以 及 逻 辑 运 算 等 功 能 。 电荷 耦 合 器 件 ＣＣＤ 的 基 本 原
３ 传 感 器 分 类 、 构 及 特 性 结
从使 用观 点 ，可将 固态 图像 传 感 器 分 为线 型 和面 型
固态传 感 器 两 类 。根 据 所 用 的敏 感 器 件 不 同 ，又 可 分 为
元 上 的 光 学 图 像 转 换 成 电信 号 “ 像 ” 即 将 光 强 的 空 图 ，
１ 概 述
掉 半 导体 衬 底 内 的 多 数 载 流 子 ， 成 “ 阱 ” 运 动 ， 形 势 的
进 而达 到 信 号 电 荷 （ 数 载 流 子 ） 转 移 。如 果 所 转 移 少 的 的 信 号 电荷 是 由 光 像 照 射 产 生 的 ， 则 ＣＣＤ 具 备 图 像 传 感 器 的 功 能 。若 所 转 移 的 电荷 通 过 外 界 注 入 方 式 得
图像 传 感 器 是 利 用 光 电器 件 的 光 一 电转 换 功 能 ， 将 其 感 光 面 上 的 光 像 转 换 为 与 光 像 成 相 应 比 例 关 系 的 电信 号 “ 图像 ” 一 种 功 能 器 件 。光 导 摄 像 管 就 是 一 的 种图像传 感器 。
到的 ， Ｃ 则 ＣＤ 还 可 以 具 备 延 时 、 号 处 理 、 据 存 储 信 数 以 及 逻 辑 运 算 等 功 能 。 电荷 耦 合 器 件 ＣＣＤ 的 基 本 原
CMOS图像传感器的基础与应用
1.图像传感器的历史
——从真空摄像管到CCD/CMOS图像传感器1.1 图像传感器的诞生
在图像传感器出现前，胶片是唯一记录保存图像的工具，而胶片所保存的图像在远距离传输以及后期处理方面存在着难以逾越的障碍。而图像传感器的目的是将拍摄的图像转化为电信号进行远距离传输、保存以及数字化保存和后期处理。那么图像传感器又是何时出现在人们生活中的呢？
最早登场的是1923年由V.K.兹沃雷金发明的光电摄像管，它是利用在真空中可自由操作电子运动的性质制作的。如图1.1所示，在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的铯（Cs），光线通过镜头在云母板上成像，此处产生的电荷，经等死放出的电子书进行扫描，取出信号电流。
此后，一个又一个的改良感光度的摄像管被发明，如超正析摄像管（1946年），光导摄像管，硒砷碲摄像管，雪崩倍增靶（HARP）摄像管等，逐渐担任产生电视图像的角色。
从原理可知，摄像管无法做到接通电源后立即工作，且工作电压高，功耗大，因燃烧寿命短等缺点。在以后的日子里，摄像管会被固态图像传感器取代。
1.2 固态图像传感器（Solid-State Image Sensor）
用于晶体管或者IC得Si（硅）等半导体材料，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。如果把单片IC基台的硅基板作为摄影面，并有规则的排列光电二极管（photodiode），然后依次将光电二极管的光电流以某种方式取出，则此基板具有了图像传感器的功能。
最早可以产生图像，以像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD不同。例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器；1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。这种方法虽然实现了实用化，但在与CCD的竞争中失败，成为后来的CMOS传感器的原型。
固体成像器件成像原理
固体成像器件成像原理
固体成像器件（Solid-state imaging devices）是一种用于光学成
像的器件，常见的例子是CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物
半导体）图像传感器。它们广泛应用于数码相机、摄像机、手机摄像头、
微控制器等各种成像设备中。
首先，光电转换是指光信号的转换为电信号的过程。当光照射到固体
成像器件表面时，光子会激发器件中的电子，使其跃迁到导带能级上，形
成载流体。绝大部分固体成像器件使用半导体材料作为光电转换材料，其
中CCD使用的是硅材料，CMOS传感器则使用的是互补金属氧化物半导体。当光照强度越大时，激发的电子数目就越多，形成的电荷量也就越大。
在信号读出完成后，固体成像器件会将电荷信号转换为电压信号并进
行放大。在CCD传感器中，电荷通过电荷耦合器件的串行传输结构进行传递，然后通过放大电路进行放大。而在CMOS传感器中，每个像素都有自
己的放大电路，电荷经过感光器件转换为电流信号，再通过放大电路转换
为电压信号进行输出。
固体成像器件的成像质量受到颗粒度、量子效率、动态范围等因素的
影响。颗粒度是指图像分辨率，也就是器件的像素数量。量子效率是指每
个像素对光的敏感程度，即光电转换效率。动态范围是指器件能够处理的
最大和最小信号差距。
在实际应用中，固体成像器件还会受到暗电流、暗噪声、像素非均匀性、幅值非线性和读出速度等因素的影响。暗电流是指没有光照射时器件
本身自带的电子产生的电流。暗噪声是指没有光照射时由于热激励导致的
电子和缺陷态的产生的电荷噪声。像素非均匀性是指不同像素对光的响应
图像传感器
与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半 导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传 感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位 移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。
CMOS
主要特点 发展历史
市场 发展
CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近 几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半 导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记 录和解读成影像。
一般认为，CCD传感器有以下优点： 高解析度 （High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从1寸、1/2寸、2/3 寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素数目从10多万增加到400～500万像素； 低杂讯 （Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高 敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天候拘束； 动态范围广 （High Dynamic Range）：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造 成信号反差现象。 良好的线性特性曲线 （Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理 成
CMOS
主要特点 发展历史
市场 发展
CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近 几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半 导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记 录和解读成影像。
一般认为，CCD传感器有以下优点： 高解析度 （High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从1寸、1/2寸、2/3 寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素数目从10多万增加到400～500万像素； 低杂讯 （Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高 敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天候拘束； 动态范围广 （High Dynamic Range）：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造 成信号反差现象。 良好的线性特性曲线 （Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理 成
传感器：第八章固态传感器
(6)工作电压 磁敏三极管工作电压范围较宽，从3V到几十伏，
集电极电压对灵敏度影响不大。硅磁敏三极管的噪 声小于磁敏二极管，功耗较低。 3. 温度补偿及提高灵敏度的措施
电路如下。
2019.10.29JGLX303->
（三）磁敏管的应用 漏磁探伤仪原理见下图。
探伤仪探头结构和原理框图如下。 （四）常用磁敏管的型号和参数
②光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一 定方向电动势的现象称为光生伏特效应。 二、光敏电阻
光敏电阻又称为光导管。 （一）光敏电阻的原理和结构
当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征 半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带 上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电 阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带 宽度，即
K m C ,V ()d
式中 K m 是一个转换常数，过去也曾称为光功
当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个
国人际眼协视议觉值系，统规最定敏为感的K波m长(65585n3m m1)/上W ，，即每表瓦示光在功
率相应的流明数。
V () 为标准明视觉函数。视觉函数反映了人
眼对不同波长光线的敏感程度。
相关，前面公式应表示为
U HK H IB H (L f/b ) fH(L/b)称为元件的形状
系数。其曲线参见右图。
霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下
固态图像传感器
度成正比。
Page 5
二、信号电荷的传输
势阱产生 势阱合并 电荷转移 移 势阱及电荷转移一个位置
Page 6
电荷共有
电荷转
三、信号电荷的检测（输出方式）
以电流输出方式为例 由检测二极管（n+区）、
二极管偏置电阻、源级输出
放大器和复位场效应管构成。
CR2下的势阱 生电流 ID Qs =IDdt
Page 4
一、信号电荷的存贮
当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅 区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很 低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作 用下产生电子—空穴对， 空穴被电场作用排斥出 耗尽区，而电子被附近 势阱（俘获），此时势 阱内吸的光子数与光强
固态图像传感器 （CCD光电耦器件)
CCD是一个具有光电转换、信息存储，延时 和将电信号按顺序传送的传感器。
Page 2
CCD光电耦器件在军事领域的应用： 卫星侦查，导弹制导，潜水艇潜望镜水平扫描摄像机
。Fra Baidu bibliotek
Page 3
信号电荷的存贮 CCD基本工作原理
信号电荷的传输
信号电荷的检测
基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
输出栅下的势阱
反向偏置二极管
产
ID使得A点的电位变化，反应注入到二极管电荷量的大小
CCD图像传感器
图1-15 小尺寸物体宽度的检测系统示意图
CCD图像传感器
思考与练习
问题1 面型CCD和线型CCD的原理有哪些异同点？ 思考： 问题2 CCD固体图像传感器作为一种测量尺寸的传感 器有什么优点？ 思考：
传感器与检测技术
CCD图像传感器
CCD输出信号经过滤波、放大和二值化处理，输出DO脉冲信 号和转移脉冲SH。采用外置的CCD 驱动装置自带滤波、放大和二 值化电路，阈值电平可调，DO输出脉冲的幅度直接反映了每个像 敏单元上的光照度。测量前首先需要对系统进行定标，记录光点在 CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。当光点在CCD上发生移动时， 得到的SH下降沿到DO脉冲宽度中心值距离与初始位置相减的宽度 值，它与光点移动的距离值成正比。利用单片机对这几组脉冲进行 测量、处理，结果送至上位机对其进行几何公式的转换，即可实时 显示待测件的偏转角度。
CCD图像传感器
通过调节不同金属电极的电压，积累的电荷可在 MOS结构之间转移。正是这种光生电荷的积累与转移功 能，构成了用于成像的CCD基础。这样一个感受光的 MOS电容光敏像元称为CCD的一个像素，当成百上千的 MOS光敏元排列成规则的阵列时，就构成了CCD。当照 射到CCD上的是一幅明暗起伏的图像时，这些MOS光敏 像元就产生一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，这就 是CCD的基本工作原理。
CCD图像传感器
CCD图像传感器
思考与练习
问题1 面型CCD和线型CCD的原理有哪些异同点？ 思考： 问题2 CCD固体图像传感器作为一种测量尺寸的传感 器有什么优点？ 思考：
传感器与检测技术
CCD图像传感器
CCD输出信号经过滤波、放大和二值化处理，输出DO脉冲信 号和转移脉冲SH。采用外置的CCD 驱动装置自带滤波、放大和二 值化电路，阈值电平可调，DO输出脉冲的幅度直接反映了每个像 敏单元上的光照度。测量前首先需要对系统进行定标，记录光点在 CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。当光点在CCD上发生移动时， 得到的SH下降沿到DO脉冲宽度中心值距离与初始位置相减的宽度 值，它与光点移动的距离值成正比。利用单片机对这几组脉冲进行 测量、处理，结果送至上位机对其进行几何公式的转换，即可实时 显示待测件的偏转角度。
CCD图像传感器
通过调节不同金属电极的电压，积累的电荷可在 MOS结构之间转移。正是这种光生电荷的积累与转移功 能，构成了用于成像的CCD基础。这样一个感受光的 MOS电容光敏像元称为CCD的一个像素，当成百上千的 MOS光敏元排列成规则的阵列时，就构成了CCD。当照 射到CCD上的是一幅明暗起伏的图像时，这些MOS光敏 像元就产生一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，这就 是CCD的基本工作原理。
CCD图像传感器
第13章++固态图象传感器
CCD的信号电荷产生通常有两种方式: 光信号注入 和电信号注入。
第13章 固态图像传感器
①光信号注入 CCD用作固态图像传感器时, 接收的是光信号, 即
光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片表面时, 在栅 极附近的半导体体内产生电子-空穴对, 其多数载流子 （空穴）被排斥进入衬底, 而少数载流子（电子）则被
第13章 固态图像传感器
• 感光部两侧置以寄存器的双读出方式（用CCD构成）
感光部分
双读式的转移寄存器分别配列在感光部分两侧，感 光部分内的奇、偶数号位的感光像素，分别与两侧转移 寄存器的相应小单元对应。这种构成方式，与长度相同 的分离式相比较，可获得高出两倍的分辨率；同时，又 因为CCD转移寄存器的级数仅为感光像素数的一半， 这就可以使CCD特有的电荷转移损失大为减少，因此， 可以较好地解决因转移损失造成的分辨率降低问题。
第13章 固态图像传感器
二、线型固态图像传感器
1、线型传感器的构成方式
• MOS式 (wk.baidu.com敏二极管阵列式)
漏 源 栅
第13章 固态图像传感器
• 读出信道内光积蓄式（CCD构成)
感光部分
因光生电荷的积蓄时间比转移时间长的多，所以再 生图像往往产生“拖影”。另外，这种方式的读出过程 必须用机械快门，无疑大大影响传感器响应速度。
t t1
自时刻 t1 之后，若加以栅 极脉冲就可以保证信号电荷依 次耦合前进，有的将这种成团 耦合的电荷群称为“电荷包”。
第13章 固态图像传感器
①光信号注入 CCD用作固态图像传感器时, 接收的是光信号, 即
光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片表面时, 在栅 极附近的半导体体内产生电子-空穴对, 其多数载流子 （空穴）被排斥进入衬底, 而少数载流子（电子）则被
第13章 固态图像传感器
• 感光部两侧置以寄存器的双读出方式（用CCD构成）
感光部分
双读式的转移寄存器分别配列在感光部分两侧，感 光部分内的奇、偶数号位的感光像素，分别与两侧转移 寄存器的相应小单元对应。这种构成方式，与长度相同 的分离式相比较，可获得高出两倍的分辨率；同时，又 因为CCD转移寄存器的级数仅为感光像素数的一半， 这就可以使CCD特有的电荷转移损失大为减少，因此， 可以较好地解决因转移损失造成的分辨率降低问题。
第13章 固态图像传感器
二、线型固态图像传感器
1、线型传感器的构成方式
• MOS式 (wk.baidu.com敏二极管阵列式)
漏 源 栅
第13章 固态图像传感器
• 读出信道内光积蓄式（CCD构成)
感光部分
因光生电荷的积蓄时间比转移时间长的多，所以再 生图像往往产生“拖影”。另外，这种方式的读出过程 必须用机械快门，无疑大大影响传感器响应速度。
t t1
自时刻 t1 之后，若加以栅 极脉冲就可以保证信号电荷依 次耦合前进，有的将这种成团 耦合的电荷群称为“电荷包”。
CCD图像传感器简介及应用
THE END
Thanks for watching!
一、CCD图像传感器的结构
CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体 （Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容 阵列组成。
一、CCD图像传感器的结构
电荷耦合器件是在 半导体硅片上制作 成百上千（万）个 光敏元，一个光敏 元又称一个像素， 在半导体硅平面上 光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。
4、电荷转移
P型衬底
三、CCD图像传感器的分类
1、线阵CCD型 线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏 元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位 寄存器之间有一个转移控制栅,如图所示。
三、CCD图像传感器的分类
线型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。 线型CCD图像传感器主要用 于测试、 传真和光学文字 识别技术等方面。
六、CCD与CMOS图像传感器
七、结束语
目前已有报道的像元大小仅为0.5μm，进入了 亚微米时代。CCD将围绕着高分辨率、高读 出速度、低成本、微型化、结构优化、多光谱 应用、3D照相等方面进一步发展。目前， CMOS发展迅速，但随着CCD在功耗、成本 方面的持续改善，在未来几年中，其仍将是 CMOS图像传感器有力的竞争对手，两者的技 术也将进一步相互借鉴，共同前进。
图像传感器—CCD
线型：线型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，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅
光光光光 转转转 输输
转移移移处 转移移移处 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(a)
光光光光 输输 转转转
转移移移处 2
(b)
面型：按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列
二二二二 检检二检检 输 输 移 移 处 移存处光光 感光感 二二二二 输输转移移移处 输输 输输转移移移处
CCD图像传感器 图像传感器
• 一个完整的CCD器件由光敏单元 转移栅、 一个完整的 CCD器件由光敏单元、 转移栅 、 移位寄存 CCD 器件由光敏单元、 器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时 工作时， 器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设 定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样， 定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样 ， 将光 的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。 的强弱转换为各光敏单元的电荷多少 。 取样结束后各 光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。 光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。 移位寄存器在驱动时钟的作用下， 移位寄存器在驱动时钟的作用下 ， 将信号电荷顺次转 移到输出端。将输出信号接到示波器、 移到输出端 。 将输出信号接到示波器 、 图象显示器或 其它信号存储、处理设备中， 其它信号存储 、 处理设备中 ， 就可对信号再现或进行 存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（ 10um CCD光敏元可做得很小 um） 存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所 以它的图象分辨率很高。 以它的图象分辨率很高。
CCD
源自文库
2．线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器 CCD 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一 线型 图像传感器由一列光敏元件与一 并行且对应的构成一个主体,在它们之 列 CCD并行且对应的构成一个主体 在它们之 并行且对应的构成一个主体 间设有一个转移控制栅,如图 如图8(a)所示。在每一 所示。 间设有一个转移控制栅 如图 所示 个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个 由一个P 个光敏元件上都有一个梳状公共电极 由一个 型沟阻使其在电气上隔开。 型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光 敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时 梳状电极施加高电压时,光敏元 敏元件阵列上 梳状电极施加高电压时 光敏元 件聚集光电荷,进行光积分 进行光积分,光电荷与光照强度 件聚集光电荷 进行光积分 光电荷与光照强度 和光积分时间成正比。 和光积分时间成正比。
P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t2 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t3 (a) (b) Ф1 Ф2 Ф3 0 t0 t1 t2 t3 t Ф
电荷转移过程
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属 电极P 电极 1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉 依次在其上施加三个相位不同的控制脉 见图（ ） 冲 Φ1 ， Φ2 ， Φ3 ， 见图 （ b） 。 CCD电荷的注入通常 电荷的注入通常 有光注入、 电注入和热注入等方式。 图 (b)采用电注 有光注入 、 电注入和热注入等方式 。 采用电注 入方式。 极施加高电压时， 入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包 极加上同样的电压时， （ t=t0 ） ； 当 P2 极加上同样的电压时 ， 由于两电势下 面势阱间的耦合，原来在P 下的电荷将在P 面势阱间的耦合，原来在 1下的电荷将在 1、P2两电 极下分布（ 回到低电位时， 极下分布 （ t=t1 ） ； 当 P1 回到低电位时 ， 电荷包全部 流入P 下的势阱中（ 流入 2下的势阱中（t=t2）。
2．线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器 CCD 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一 线型 图像传感器由一列光敏元件与一 并行且对应的构成一个主体,在它们之 列 CCD并行且对应的构成一个主体 在它们之 并行且对应的构成一个主体 间设有一个转移控制栅,如图 如图8(a)所示。在每一 所示。 间设有一个转移控制栅 如图 所示 个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个 由一个P 个光敏元件上都有一个梳状公共电极 由一个 型沟阻使其在电气上隔开。 型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光 敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时 梳状电极施加高电压时,光敏元 敏元件阵列上 梳状电极施加高电压时 光敏元 件聚集光电荷,进行光积分 进行光积分,光电荷与光照强度 件聚集光电荷 进行光积分 光电荷与光照强度 和光积分时间成正比。 和光积分时间成正比。
P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t2 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t3 (a) (b) Ф1 Ф2 Ф3 0 t0 t1 t2 t3 t Ф
电荷转移过程
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属 电极P 电极 1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉 依次在其上施加三个相位不同的控制脉 见图（ ） 冲 Φ1 ， Φ2 ， Φ3 ， 见图 （ b） 。 CCD电荷的注入通常 电荷的注入通常 有光注入、 电注入和热注入等方式。 图 (b)采用电注 有光注入 、 电注入和热注入等方式 。 采用电注 入方式。 极施加高电压时， 入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包 极加上同样的电压时， （ t=t0 ） ； 当 P2 极加上同样的电压时 ， 由于两电势下 面势阱间的耦合，原来在P 下的电荷将在P 面势阱间的耦合，原来在 1下的电荷将在 1、P2两电 极下分布（ 回到低电位时， 极下分布 （ t=t1 ） ； 当 P1 回到低电位时 ， 电荷包全部 流入P 下的势阱中（ 流入 2下的势阱中（t=t2）。
第十章 固态图像传感器
转移栅 (控制脉冲 T) 控制脉冲Φ 控制脉冲
1024单元 单元 14m× 14m × 二相时钟(5V) 二相时钟
�
单元结构
+ 金属电极 SiO2绝缘层 耗尽区(势阱 耗尽区 势阱) 势阱 P型Si衬底 型 衬底 光线
二 CCD的工作原理 的工作原理 1.信号电荷的注入 信号电荷的注入 2.信号电荷的转移 信号电荷的转移 3.信号电荷的读出 信号电荷的读出 Φ1
Φ2
Φ3 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8
第十三章 固态图像传感器
固态图像传感器(solid state imaging sensor)是指 固态图像传感器 是指 在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与 位移寄存器构成一体的集成光电器件,其功能 位移寄存器构成一体的集成光电器件 其功能 是把按空间分布的光强信息转换成按时序串 行输出的电信号. 行输出的电信号 CCD —电荷耦合器件 电荷耦合器件(charge coupled device)是 电荷耦合器件 是 其中应用最广泛的一种. 其中应用最广泛的一种 一 CCD的基本结构 的基本结构 MOS(金属 氧化物 半导体 阵列 金属-氧化物 半导体)阵列 金属 氧化物-半导体
wk.baidu.com
三 CCD图像传感器的结构 图像传感器的结构 1. LCCD图像传感器 图像传感器 MOS光敏元线阵 转移栅 读出移位寄存器 光敏元线阵,转移栅 光敏元线阵 转移栅,读出移位寄存器 感光区(偏置脉冲 感光区 偏置脉冲ΦG) 偏置脉冲
CMOS图像传感器的基础与应用
1.图像传感器的历史
——从真空摄像管到CCD/CMOS图像传感器1.1 图像传感器的诞生
在图像传感器出现前，胶片是唯一记录保存图像的工具，而胶片所保存的图像在远距离传输以及后期处理方面存在着难以逾越的障碍。而图像传感器的目的是将拍摄的图像转化为电信号进行远距离传输、保存以及数字化保存和后期处理。那么图像传感器又是何时出现在人们生活中的呢？
最早登场的是1923年由V.K.兹沃雷金发明的光电摄像管，它是利用在真空中可自由操作电子运动的性质制作的。如图1.1所示，在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的铯（Cs），光线通过镜头在云母板上成像，此处产生的电荷，经等死放出的电子书进行扫描，取出信号电流。
此后，一个又一个的改良感光度的摄像管被发明，如超正析摄像管（1946年），光导摄像管，硒砷碲摄像管，雪崩倍增靶（HARP）摄像管等，逐渐担任产生电视图像的角色。
从原理可知，摄像管无法做到接通电源后立即工作，且工作电压高，功耗大，因燃烧寿命短等缺点。在以后的日子里，摄像管会被固态图像传感器取代。
1.2 固态图像传感器（Solid-State Image Sensor）
用于晶体管或者IC得Si（硅）等半导体材料，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。如果把单片IC基台的硅基板作为摄影面，并有规则的排列光电二极管（photodiode），然后依次将光电二极管的光电流以某种方式取出，则此基板具有了图像传感器的功能。
最早可以产生图像，以像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD不同。例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器；1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。这种方法虽然实现了实用化，但在与CCD的竞争中失败，成为后来的CMOS传感器的原型。
CCD传感器
工作原理
CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存 储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有 光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的 应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个平 面的器件；而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。由于在军事领域主要用的是面阵CCD，因此这里主要介绍面阵 CCD。
线阵CCD
线阵CCD：用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的， 线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非 移动的连续光照的物体。
结构构造
CCD传感器CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极 管)，它是在P型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A～1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层 (多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时， 光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入 衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是 信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
18
3.CCD的特性参数
19
20
3.CCD的特性参数
21
3.CCD的特性参数
22
23
第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
CCD基本结构分两部分： MOS（金属—氧化物—半导体） 光敏元阵列）。电荷耦合器 件是在半导体硅片上制作成 百上千（万）个光敏元，一 个光敏元又称一个像素，在 半导体硅平面上光敏元按线 阵或面阵有规则地排列。 读出移位寄存器。
CCD结构示意图
电荷耦合器件（ CCD ）特点 ——
以电荷作为信号。
一个MOS光敏元结构
2.CCD工作原理 (2)电荷存储原理：
一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素； 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元， 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象， 那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生 电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基 本原理。
电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。 也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明 控制电荷定向转移的过程。见图
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极 P1,P2,P3,依次 在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图 (b) 采 用电注入方式。
8
(2)电荷存储原理： 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下 P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是 一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片 上时，光子作用下产生 电子—空穴对，空穴被电 场作用排斥出耗尽区，而 电子被附近势阱（俘获）， 此时势阱内吸的光子数与 光强度成正比。
P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P2 P3 t=t2 Ф
Ф1 Ф2
Ф3 0 t0 t1 t2 t3 (b) t=t3 t
P1
P1 P2
P3
当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）； 当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合， 原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）； 当 P1 回 到 低 电 位 时 ， 电 荷 包 全 部 流 入 P2 下 的 势 阱 中 （t=t2）。 然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从 P2下转到 P3 下的势阱（ t=t3），以此控制，使 P1下的电荷转移到 P3下。 随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到 最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器 处理，便实现电荷移动。
固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成。
敏感元件主要有三大类：
电荷耦合器件（ Charge Coupled Device ，即 CCD）
互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
显微镜下的MOS元表面
2.CCD工作原理 分辨率（MOS元多少）不百度文库的图象比较
265×180
66×45
133×90
33×22
2.CCD工作原理
(3)电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷 耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体 底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。
第13章
固态图像传感器
CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电 荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能 指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移 损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、 分辨率等。
3.CCD的特性参数
固态图像传感器
图像传感器：利用光电器件的光－电转换功能， 将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关 系的电信号“图像”的一种功能器件， 固态图像传感器：在同一半导体衬底上布设的若 干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化 的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像 点”。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）、 功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型 化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农 业、军用等各个领域。
CCD 的基本功能 —— 电荷存储和 电荷转移。 CCD工作过程——信号电荷的 产生、存储、传输和检测的过程。
7
1.CCD工作原理
(1)MOS的结构 一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底 制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续 的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金 属化电极（栅极）。
当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输 出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、 浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。