第11章 固态图像传感器

11.1
电荷耦合图像传感器
CCD的基本工作原理 11.1.1 CCD的基本工作原理
CCD可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光 可以把光信号转换成电脉冲信号， 可以把光信号转换成电脉冲信号 敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱， 敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲 的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到了图象传感器的作用。 的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到了图象传感器的作用。 突出特点是以电荷作为信号， 突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流 或者电压为信号 主要问题是信号电荷的产生、存储、 主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测 基本功能是电荷的存储和电荷的转移 CCD按电荷转移信道划分有两种基本类型，一是电荷包存储在半 按电荷转移信道划分有两种基本类型， 按电荷转移信道划分有两种基本类型 导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输， 导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道 CCD（简称 ）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体 （简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体 ）； 并在半导体体内沿一定方向传输， 内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器 简称BCCD）。 件（简称 ）。

2.电荷转移工作原理 电荷转移工作原理 控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，让MOS电容 电容栅极电压高低来调节势阱深浅， 控制相邻 电容栅极电压高低来调节势阱深浅 电容 间的排列足够紧密，使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合， 电容的势阱相互沟通， 间的排列足够紧密，使相邻 电容的势阱相互沟通 即相互耦合， 就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。 就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。 为了让信号电荷按规定的方向转移， 为了让信号电荷按规定的方向转移，在MOS电容阵列上加满足 电容阵列上加满足 一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻， 一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻，势阱的变化总 朝着一个方向。 朝着一个方向。 为了实现这种定向的转移， 为了实现这种定向的转移，在 CCD的MOS阵列上划分成以几 的 阵列上划分成以几 个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将 电荷为一单元的无限循环结构。 个相邻 电荷为一单元的无限循环结构 每一单元称为一位， 每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上， 每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同 电极称为相线。 电极称为相线。 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟 有二相、 通常 有二相 三相、四相等几种结构， 脉冲也分别为二相、三相、四相。 脉冲也分别为二相、三相、四相。二相脉冲的两路脉冲相位相差 180°，三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为 ° 三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为120°及90°。当这 ° ° 种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向 的无限循环结构上时， 种时序脉冲加到 的无限循环结构上时 转移。 转移。

CCD电荷转移工作原理 电荷转移工作原理
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
φ φ φ
1
2
3
φ
1
φ
2
φ
( a )
3
t t t t t t
= = = = = =
t t t t t t
1
2 3 4
5
6
( b )

3.电荷的注入 电荷的注入 CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。 中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。 中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到 CCD用作光学图像传感器时，信号电荷由光生载流子得到，即 用作光学图像传感器时， 用作光学图像传感器时 信号电荷由光生载流子得到， 光注入。光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。 光注入。光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。 用作信号处理或存贮器件时， 当CCD用作信号处理或存贮器件时，电荷采用电注入方式，即 用作信号处理或存贮器件时 电荷采用电注入方式， CCD通过输入结构对信号电压或电流采样，并转换为信号电荷。常 通过输入结构对信号电压或电流采样， 通过输入结构对信号电压或电流采样 并转换为信号电荷。 用的输入结构为二极管或几个控制输入栅来实现电输入。 用的输入结构为二极管或几个控制输入栅来实现电输入。
若在金属—半导体间加正电压， 若在金属 半导体间加正电压，由于电子大量集聚在电极下的半 半导体间加正电压 导体处，并具有较低的势能， 导体处，并具有较低的势能，可形象地说半导体表面形成对电子的势 能容纳聚集电荷。 阱，能容纳聚集电荷。 +
金属 氧化物
界 面 势
电子
势阱

(2)电荷存贮原理 电荷存贮原理 当一束光照射到MOS电容上时，衬底中处于价带的电子将吸收 电容上时， 当一束光照射到 电容上时 光子的能量产生电子跃迁，形成电子－空穴对，电子－ 光子的能量产生电子跃迁，形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加 电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。 电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。这些光生电 荷将贮存在电极形成的势阱中，此势阱又被称为电荷包。 荷将贮存在电极形成的势阱中，此势阱又被称为电荷包。 势阱能够贮存的最大电荷量又称之为势阱容量， 势阱能够贮存的最大电荷量又称之为势阱容量，它与所加栅压近 似成正比。 似成正比。 势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比，于是， 势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比，于是，图像景 物的不同明暗程度，便转变成CCD中积累电荷的多少。 中积累电荷的多少。 物的不同明暗程度，便转变成 中积累电荷的多少
金属 绝 缘 层 S iO 2 金属 绝 缘 层 S iO 2
P -S i (a)
N -S i (b)

MOS电容上没加电压时，半导体的能带结构如图（a）所示，从 电容上没加电压时，半导体的能带结构如图（ ）所示， 电容上没加电压时 界面层到内部能带都是一样的，即所谓平带条件。 界面层到内部能带都是一样的，即所谓平带条件。
11章 第11章 固态图像传感器
11.1 电荷耦合图像传感器 CCD的基本工作原理 11.1.1 CCD的基本工作原理 线阵与面阵CCD CCD图像传感器 11.1.2 线阵与面阵CCD图像传感器 CCD图像传感器的特性参数 11.1.3 CCD图像传感器的特性参数 11.2 其它类型的图像传感器 11.3 固态图像传感器的应用

11.1.2线阵与面阵CCD图像传感器 11.1.2线阵与面阵CCD图像传感器 线阵与面阵CCD

DD是MOS电容的一种应用，它是按照一定规律排列的 电容的一种应用， 是 电容的一种应用 它是按照一定规律排列的MOS 电容器阵列组成的移位寄存器. 电容器阵列组成的移位寄存器 它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力. 它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力
φ1 φ2 φ3 φ∞ φR
T1 T2 U OG D CS RL 0 a— 复 位 电 平 ； b— 参 考 电 平 c— 馈 通 电 压 ； d— 信 号 电 压 U CC
φ3 φR
U0 a c d
b
每检测一个电荷包，在输出端就得到一个负脉冲，其幅度正比于 每检测一个电荷包，在输出端就得到一个负脉冲， 信号电荷包的大小。 信号电荷包的大小。不同信号电荷包的大小转换为信号对脉冲幅度的 调制， 输出调幅信号脉冲列。 调制，即CCD输出调幅信号脉冲列。 输出调幅信号脉冲列

CCD输出信号具有以下几个特点： 输出信号具有以下几个特点： 输出信号具有以下几个特点 1.每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平（约7～8V）上， 每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平（ 每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平 ～ ） 信号电平在几十至几百mV范围内变化，呈单极性负向变化。 范围内变化， 信号电平在几十至几百 范围内变化 呈单极性负向变化。 2.输出信号随时间轴，按离散形式出现，每个电荷包对应着一个 输出信号随时间轴， 输出信号随时间轴 按离散形式出现， 像元，中间由复位电平隔离，要准确检测出像元信号， 像元，中间由复位电平隔离，要准确检测出像元信号，必须清除复位 脉冲干扰。 脉冲干扰。 3.输出信号 S与CCD输出的电荷量 成正比，与输出结电容 S 输出信号U 输出的电荷量Q成正比 输出信号 输出的电荷量 成正比，与输出结电容C Q 成反比
U
+
U
+
N
co
势
垒
P - S i

4电荷的检测（输出方式 ） 电荷的检测（ 电荷的检测 CCD的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电压的输出。 的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电压的输出。 的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电压的输出 目前， 的输出方式主要有电流输出、 目前，CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮 的输出方式主要有电流输出 置栅放大器输出，通常采用的是浮置栅放大器输出法。 置栅放大器输出，通常采用的是浮置栅放大器输出法。

固态图像传感器主要有五种类型：电荷耦合 固态图像传感器主要有五种类型： 器件CCD CCD（ Device）、 ）、荷注入器 器件CCD（Charge Coupled Device）、荷注入器 CID（ Device）、金属－ ）、金属 件CID（Charge Injection Device）、金属－氧 化物－半导体(MOS) (MOS)、 CPD（ 化物－半导体(MOS)、电荷引发器件 CPD（Charge Device）和叠层型摄像器件。 Priming Device）和叠层型摄像器件。

图像传感器又称为成像器件或摄像器件， 图像传感器又称为成像器件或摄像器件， 是现代视觉信息获取的一种基础器件 ，可 实现可见光、紫外光、 射线、 实现可见光、紫外光、X射线、近红外光等 的探测 。 因其能实现信息的获取、 因其能实现信息的获取、转换和视觉功 能的扩展，能给出直观、真实、多层次、 能的扩展，能给出直观、真实、多层次、多 内容的可视图像信息， 内容的可视图像信息，图像传感器在现代科 学技术中得到越来越广泛的应用。 学技术中得到越来越广泛的应用。