图像传感器检测系统

• （3）PC camera到21世纪初叶，随着 电脑网络系统的发展，PC Camera作为 电脑前端和图像输入系统， CCD 摄像机 将以不可阻挡的发展势头深入到各种电 脑应用的方方面面，也会很快进入家庭。 借助电脑网络，实现音、视频同步远程 通讯。预计到 2000 年，我国 PC 机年销 量将为 1056 万台，仅按计算机配套率 20% 估算， PC camera 的需求量将为 211.2万台。
• （4）Door phone随着住宅商品化，各 种现代化住宅楼像雨后春笋般拨地而起， 民用住宅的安全防范已提到日程上来， 许多住宅可在室内及时地看到来访客人 的实时图像和室外局部区域的情况，也 为防范坏人入室作案起到有效的监控作 用。
• （5）Scanner由于计算机网络的普及， 所以为了提高各种资料、文字的输入速 度，可采用各种扫描仪，读取经过文字 识别的资料，可将读入的文字资料转换 成文件存入计算机进行编辑，以便在网 络上交流。按 PC 机配套率 10% 计算， 可需线阵和面阵 CCD 传感器 105.6 万台。
• 式中， εox为 SiOz的介电常数。
2． VG ＞0的多数载流子耗尽状态
当在栅电极上加上 VG ＞0的小电压时， P型衬底中的空穴 从界面处被排斥到衬底的另一侧，在 Si表面处留下一层离化 的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”。这种 情况相当于 MOS电容器充负电。可将空间电荷区中的负电 荷密度写为
图像传感器检测系统
固体图像传感器检测技木
电荷耦合器件
• 电荷耦合器件(charge—Coupled Devices) 简称 CCD，是1970年由美国贝尔实验室 首先研制出来的新型固体器件。作为 MOS技术的延伸而产生的一种半导体器 件。
• CCD作为一种多功能器件，有三大应用 领域：摄像、信号处理和存贮。特别是 在摄像领域，作为二维传感器件， CCD 与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无 滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿 命等优点。
该式也表明在一定温度下， NA越大，则 xdmax越小。聚集在反型层中的电子由耗 尽层中的热激发产生的电子—空穴对供 给。由于这种机构产生比较缓慢，即使 在直流电压上叠加上小的交流电压，反 型层的电子数也不能响应这种交流变化。 所以在强反型状态下，耗尽层达到最大 宽度 xdmax而且不随 VG而变化， MOS电 容将达到极小值并大致保持恒定。
当栅电压有微小变化 Δ VG时，有
• 栅电极中的电荷量与硅中的电荷量大小 相等，符号相反。若 Δ VG引起电极上电 荷量的变化为ΔQ，则
写成电容形式，即有
(13一16)
式中， 为耗尽层电容。从上述各式可 得到栅电容与栅电压 VG的函数关系如下
(13一17)
• 表面势的概念对理解电荷耦合器件工作 原理是很重要的，由
• 半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为 P型硅衬底和 N型硅衬底，它对应不同的沟道 形式，由于电子迁移率高，所以，大多数 CCD选用 P型硅衬底。下面以 P型硅衬底 MOS电容器为参照进行说明。
•
MOS电容器的状态是随栅极电压 VG的变化而不同的。在 VG为零时， Si表面没有电场的作用，其载流子浓度与体内一 样。 Si本身呈电中性，电子能量从体内到表面都相等，所以 能带是平坦的，不存在表面空间电荷区。这种状态称为 “平带状态”。
但由于是 P型村底，故 ND≈0；在耗尽时，空间 电荷区中p(x)<<NA, 空间电荷区中的电子浓度 n(x)<<NA,所以，在耗尽近似下，上式可简化 为
该充电区域(空间电荷区)称为耗尽层。此时表面势 VS＞0，则 -e VS＜0，表面处能带向下弯曲，如图所示。由于能带弯曲，越 接近表面，费米能级 EFS与价带顶E+的间隔越大，构成空穴 势垒，表面处空穴浓度比体内少，甚至于完全没有空穴，即 多子从表面耗尽。
1 CCD的物理基础
• CCD是基于 MOS(金属—氧化物—半导 体)电容器在非稳态下工作的一种器件。 因此，必须了解 MOS电容器的稳态和非 稳器
• (一)理想 MOS系统
•
MOS结构如图13—l所示。在硅片上，生长一层 SiO2层 F， 厚度为dox 再蒸镀上一层金属铝作为栅电极。硅下端制成欧 姆接触，便构成一个 MOS二极管或 MOS电容器。VG为加 在栅电极上的偏压，当栅电极对地为正时，则 VG为正；反 之， VG为负。
CCD摄像机应用领域的发展趋势 • 1、CCD摄像机的应用领域 • CCD摄像机应用领域在不断的扩展， 应用技术的深化又促进 CCD 摄像机的多 样化产品的生产。 • 总 体 有 MOBILE 、 PUBLIC 、 HOME 三 个方面，其中有：
• （ 1 ） Camcorder 摄录一体化 CCD 摄像 机。从中国电子工业部市场预测数据获 悉，2000年需求量可达150万台。 • （2）TV phone据资料介绍，有些移动 电话公司正在研发可带视频图像摄入和 显示的手机即大哥大。
图像传感器实际上只能记录光线的灰 度，也就是说，它能记录光线的强弱， 但却没有办法分辨颜色，而我们最需要 的却是光线的颜色。目前CCD主要的解 决方式是在每一个光电二极管上都采用 了滤光器，使对应的光电二极管只能记 录相应单色光。
•
各种单色分别被相邻的光电二极管记 录下来，生成的图像颜色是分离的，最 后还需要通过一些处理过程把这些数值 合成为彩色的图像。数码相机里面，这 个处理过程称之为插值。通常的做法是 计算1个像素周围8个像素的颜色值，然 后根据它自身所记录的颜色值，结合计 算出最终像素的混合颜色值。
• （8）Vehicle Camera在各种车辆中加 装 CCD 摄像机可以使驾驶人员借助车内 CCD 摄像机、车上的后视镜系统和驾驶 员前面的显示器，不仅可随时看到车内 的情况，而且可在倒车时观察后面的道 路情况，在向前行进过程中也能随时看 到后方车辆所保持的距离，提高了行车 安全。
• （ 9 ） Closed Circuit Television （ CCTV ） CCTV 是近几年被大家广泛注 意的电视监控系统，目前，已发展成为 一种新的产业。以 CCD 摄像机为主要前 端传感器，带动了一系列各种配套的主 机和配套设备以及传输设备的研制和生 产企业。
可知，在一定的掺杂浓度下，表面势 VS 与栅极偏压VG有关，因为 xd与 VG有关。
3． VG＞Vth＞0的反型状态
在上述基础上正电压 VG进一多增加，表面处能带相 对体内进一步向下弯曲，当 VG超过某一阈值时，将 使得表面处禁带中央能级Ei降到EFS以下，导带底E离费米能级置EFS ，更近一些。这表明表面处电子浓 度超过空穴浓度，已由 P型变为 N型。这种情况称之 为“反型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导 体内部之间还夹有一层耗尽层。
当在栅极加上电压，即 VG不为零时， Si表面的电荷 和电势分布可通过求解下面的泊松方程式得到：
式中，ρ为电荷密度； ε为硅的介电常数。下面分三 种情况讨论：
1． VG ＜0的多数载流子积累状态
当在金属栅极上加上直流负偏压，即 VG ＜0时，电场使 Si内 一部分可移动空穴集中到 Si—SiOz界面，在 Si表面形成多 数载流子积累层。这种状态称为“积累状态”。当达到热 平衡时， VG的一部分降落在 SiOz层内，其余部分将作用于 半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs ＜0，则-eVs ＞0，表 面处能带向上弯曲，从而导致表面附近的价带中比体内有 更多的空穴，使表面呈现强 P型。
耗尽层中的电势分布可通过求解泊松方程得出，即
用 x＝xd处，V＝0, 即体内电势为零，及dV/dx＝0的边界 条件求解上式，得
式中，xd为耗尽层厚度，坐标原点取在 Si—SiO2界面上。
当 x＝0时，表面势如下
由此可求得耗尽层厚度为
空间电荷区内单位面积的电荷量为
界面处的电场为
栅电压 VG为 SiO2中的电压降和表面势之和
• 为了保持 MOS系统的电中性条件，金属栅极上的负电 荷与半导体积累层中的正电荷正好相互补偿。但金属的 费米能级与半导体的费米能级并不 相等，即EFM ≠EFS ， 其差值正好是 VG与电子电荷的乘积。若此时在 VG上叠 加交流小信号时，积累在界面处的空穴数将相应于交流 信号的变化而变化。
交流响应的时间为 τ＝ρε。ε，这里ρ是硅 电阻率。硅的响应时间 τ约为10-12S所以， 积累状态下可将半导体衬底同金属板一 样对待，则每单位栅面积下的 MOS电容 为
• （ 11 ） Personal Data Assistant （ PDA ）个人数据秘书系统是一种体积 小于笔记本的电脑，是功能齐全的计算 机系统，可以完成多种数据管理功能， 并可借助移动电话上的 Internet 网进行 远程传送资料、发传真等。
• （ 12）Digital Signal Camera（ DSC） 数码照相机是近两三年投放市场的一种 新型照相机。由 CCD 传感器采集的图像 信号经过数字处理后，可被记录在磁卡 上，由计算机读取磁卡上的图像数据再 现出图像，并可借助各种图像处理软件 进行图像编辑和图像处理。
反型状态可分为弱反型和强反型两种情况。 当表面势 VS增加到正好等于体内费米势 φF 时，
在表面EF达到Ei，表明表面处电子浓度开 始超过空穴浓度。这种情况称为“弱反 型”。
所谓强反型状态定义为表面处反型载流子浓度ns 已达到体内多数载流子p0的浓度，即ns >p0 表面处电子浓度可写为
式中， no和p0分别为 p型半导体内热平衡 时的电子浓度和空穴浓度。
• 在 MOS结构中，表面出现强反型状态 时对应的外加偏压 VG称为阈值电压(又 叫开启电压)，常用 Vth表示。
• 从图中的能带看到，对表面反型层的电子来说，
一边是 SiO2绝缘层，它的导带比半导体高许多。 另一边是弯曲的导带形成的一个陡坡，其代表 由空间电荷区电场形成的势垒。
• 广播级电视摄像机中， CCD摄像机可与 真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭 路电视、家庭用摄像方面， CCD摄像机 则呈现出“一统天下”的趋势。 • 在工业、军事和科学研究等领域中的应 用，如方位测量、遥感遥测、图像制导， 图像识别等方面更呈现出其高分辫力， 高准确度，高可靠性等突出优点。
•
• 通常发生强反型的条件写成
从式中可以看出，半导体衬底掺杂浓度 NA越高，半导体表面越不易反型。
• 在强反型状态下，表面处电子浓度随VS 增加呈指数地增长，而VS随耗尽层宽度 xd呈二次函数增加。因此，一旦出现反 型层，即使提高栅电压，使栅极的正电 荷进一步增加，但由于反型层中的电子 也增加而维持平衡，结果耗尽层宽度几 乎不变，即达到耗尽层宽度最大值。 可得
• CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景
由于 CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发 明至今仅 20多年其发展速度惊人。近 10年来， CCD 摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、 跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年 20%的速度递增。
• CCD传感器有两种 • 第一、特殊 CCD 传感器，如红外 CCD 芯 片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度 背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等， 另 外 还 有 大 靶 面 如 2048×2048 、 4096×4096 可见光 CCD 传感器、宽光 谱范围（紫外光→可见光→近红外光 →3-5μ m中红外光→8-14um远红外光) 焦平面阵列传感器等。目前已有商业化 产品,并广泛应用于各个领域。
• （6）Bar Code Register（BCR）条形 码记录器在各种商业流通领域如商场、 仓储连锁店等普遍采用。条形码物品记 录识别系统与计算机联网可随时取得各 种数据。 • （7）Medical医用显微内窥镜利用超小 型的 CCD 摄像机或光纤图像传输内窥镜 系统，可以实现人体显微手术，减小手 术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性， 减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远 程会诊和现场教学。