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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
传感器与检测技术
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）；
传感器与检测技术
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
传感器与检测技术
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 绍。
V (x)
(x)
2
Leabharlann Baidu
xxd 0
0
s
qN A 0 s
E
x xd
dV (x) dx
x xd
0
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 20 s
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。
传感器与检测技术
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。
(x
xd
)2
传感器与检测技术
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 ：
s
V (x)
x0
qN Axd2 20 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
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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 dx
第十三章 CCD图像传感器
传感器与检测技术
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）；
传感器与检测技术
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
传感器与检测技术
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 绍。
V (x)
(x)
2
Leabharlann Baidu
xxd 0
0
s
qN A 0 s
E
x xd
dV (x) dx
x xd
0
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 20 s
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。
传感器与检测技术
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。
(x
xd
)2
传感器与检测技术
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 ：
s
V (x)
x0
qN Axd2 20 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
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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。
传感器与检测技术
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 dx