光电子器件_第六章ccd和cmos.pptx
第6章 CCD和COMS成像器件
Cox
A
d ox
* N A 2 1014 cm3 , dox 180nm, N f U GCox / e,U G 5V
U G ,Vs ; U G ,Vs ;
N A ,Vs ; N A ,Vs ;
d ox ,Vs ; d ox ,Vs ;
n ,Vs . n ,Vs .
6.1 电荷耦合器件的基本原理
6.1.1 MOS结构特征 MOS电容即金属（Metal）-氧化物(Oxidation)-半 导体(Seminconductor)构成的电容器，常称为MOS电 容，或MOS结构。
UG
Al SiO2 金属 电介质 P-Si衬底 金属
（a）MOS电容器；（b）一般电容器。 电容的相同特征 注意其区别: 电荷分布不一样.
i i f f v v mf
UG
Al
E SiO2c Ei Ec
Ei Vf Ef Ev
P-Si衬底
Vs
Emf
Ef Ev
d (c)
Emf
(d)
5.强反型层
Ei
f
Ei
f
E E 当电子充满势阱时，达到稳定状态，界面电子浓度等于衬 E E 底受主密度，该时就达到强反型层。在强反型层时， Vs E VS=2VF=2（Ei-EF），如果外界不注入少子（电子）或不 d 引入各种激发，则反型层中的电子的来源只能是耗尽层中热 (b) (a) 激发产生的电子，即热生载流子，这种热激发是很慢的，为 一弛豫过程,约为10-3~10-1s量级。
1．dox=0.1μm, 2．dox=0.6μm, 3．dox=0.1μm, 4．dox=0.1μm,
dN=2μm, dN=2μm, dN=2μm, dN=5μm,
CMOS与CCD与CIS
CMOS与CCD技术自诞生以来，它们的抢位之争自诞生至今就没有停止过。
如今，依托这两大类感光元件，形成了分别应用CMOS和CCD元件的两大阵营，在硬件设备制造领域争相斗法。
在竞争中，它们努力克服各自的天生劣势，并在技术指标不断攀升的基础上，期待更大的技术突破。
一争高下由来已久CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(p hotodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
这种转换的原理与“太阳电能”电子计算机的“太阳能电池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。
比较CCD 和CMOS 的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。
简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD 旁的放大器进行放大，再串联ADC 输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。
竞争引发进步，CCD和CMOS传感器技术都在各自的劣势中试图补齐短板。
新一代的C CD传感器一直在功耗上作改进，而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。
二者在品质上的差距在不断缩小，比如，OmniVision于2004年就推出了OV5610 CMOS 5百万像素图像传感器，它的重要意义就在于它成为第一个能够输出CCD影像品质的CMOS 图像传感器。
从此，CMOS在成像品质上的追求就显得更为游刃有余了。
CCD（电荷耦合器件）是前辈，自1969年在贝尔试验室研制成功以来，它经历多年发展，从初期的10多万像素发展至今，已经非常成熟，应用于多个领域。
而CMOS（互补金属氧化物半导体）则是后来者，它诞生于1998年，这类新型的图像传感技术被认为是代表未来的技术方向。
第六章电荷耦合器件CCD讲解ppt课件
Vg 1 Vg 2 Vg 3 Vg 4
2V 10V 2V 2V
2V 10V 10V 2V
2V 2V 10V 2V
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
•基于势阱的有无和深度 都取决于栅极的电位， 通过不断地改变各栅极 上的电位值，使栅极下 势阱底抬高或降低，实 现其中电荷包有规则、 可控制地传输，直到输 出端。
Vg 1 Vg 2 Vg 3 Vg 4
2V 10V 2V 2V
2V 10V 10V 2V
2V 2V 10V 2V
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
6.5 电荷耦合器件的特征参数
Vg
①在金属层上施加正电压， 表面势Vs为正。
②空穴耗尽层
③ Vs随耗尽区的形成而升高，耗尽区深度随着 栅极电压的升高而不断变宽。这种状态就是多 数载流子的耗尽状态。在耗尽区，空穴的浓度 几乎为零。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
➢转移效率 ➢电荷存储能力 ➢暗电流 ➢噪声
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
转移效率
• η=Qn+1/Qn Qn+1转移到下一个势阱中的电荷数，Qn原 势阱中的电荷数
CCD和CMOS的差异以及以后的发展趋势
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
如下图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
左图为CCD传感器的结构，右图为CMOS传感器的结构造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2. 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。
《CCD基础知识》PPT课件
然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一 次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其 中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。 当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。
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CCD的应用
三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷
包就要转移过一个极板，每变化一个周期整理，p即pt 转移过三个极板。
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输出装置：在靠近最右电极的一侧扩散一个N区作为收集区，它与衬底
之间形成一个PN结。电源E通过R加在该结的两端，使它处于反偏状态。
该收集区收集最后一个电极cn下的电子，在电阻R上就有电流流过，并 转换成电压的变化，输出一个脉冲。注意输出是串行的。
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CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为 其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率（CTE）
好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，所 以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。
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从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地 方流动。
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对于多电极，如图在二氧化硅表面排
列多个金属电极a1、b1、c1；﹍an、 bn、cn等，每三个电极如a1、b1、c1 组成一个传输单元，在三个电极上分
别加上三相脉冲电压Ua、Ub、Uc， 它们的波形如图。
金属电极上所加正电压越大．金属 电极下的电场越强，多数载流子空 穴被排斥的耗尽层越厚，对少数载 流子电子则势阱越深
CCD与CMOS的区别
CCD与CMOS的区别从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下四个方面的不同：1.信息读取方式CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。
CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。
2.速度CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。
3.电源及耗电量CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
4.成像质量CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。
由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。
近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。
CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的：1.内部结构（传感器本身的结构）CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。
光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。
在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。
每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。
这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。
但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本。
ccd cmos 工作原理
ccd cmos 工作原理
CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）
是图像传感器的两种常见类型。
它们的工作原理略有不同。
CCD工作原理：
1. 光子在CCD表面的感光区域产生电子。
2. 通过CCD的物理结构和潜在势场控制电子的移动。
3. 电子被沿着接受器上的电荷传输通道移动。
4. 电荷传输的顺序使得电子最终进入集成电荷放大器（Integrating Amplifier）。
5. 集成电荷放大器将电子转化为电压信号。
6. 数字转换电路将电压信号转化为数字形式。
CMOS工作原理：
1. 光子在CMOS感光元件上产生电荷。
2. 当电荷进入像素中的感光元件后，CMOS像素电路会将其
转换为电压信号。
3. 通过选择性放大的方式，电压信号被转换为数字形式。
总结：
CCD和CMOS图像传感器都能将光子转化为电荷或电压信号，最终转换为数字形式，但其工作原理略有不同。
CCD使用电
荷传输方式，CMOS使用电压信号转换方式。
CCD与CMOS的原理及其应用
CCD与CMOS的原理及其应用1. CCD原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电转换的器件，它能够将光信号转换为电荷信号。
CCD的主要原理是通过在半导体表面形成一系列的电荷传输节点，将光信号转化为在节点之间传递的电荷。
下面是CCD的工作原理的详细说明：1.1 光电效应当光照射到半导体材料上时，光子能量将被半导体吸收并转化为电子能量。
这个过程被称为光电效应。
1.2 光电转换在CCD的表面，有许多由P型和N型材料构成的结构。
当光子进入CCD表面时，它们被吸收并产生电子-空穴对。
在光电效应的作用下，电子会被吸引到P型区域，形成电子井，而空穴则被吸引到N型区域，形成空穴井。
1.3 电荷传输通过在CCD中施加电压，即将电场施加到电荷传输节点上，电子和空穴井中的电荷可以被移动。
电荷从一个节点传输到另一个节点，直到最后由输出节点收集。
1.4 信号放大和读出一旦电荷被传输到输出节点，它们可以通过放大电路进行信号放大和读出。
最后，CCD将光信号转换为电信号，供后续的处理和分析。
2. CMOS原理CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种光电转换器件，与CCD不同的是，CMOS直接将光信号转换为电信号，并在同一芯片上集成了信号放大和读出电路。
下面是CMOS的工作原理的详细说明：2.1 光电转换CMOS使用特殊的光敏材料来感测光信号，并将其转换为电荷。
光照进入CMOS芯片，光子的能量被光敏材料吸收，并生成电子-空穴对。
2.2 光电转换层CMOS芯片上的光电转换层负责将光信号转化为电荷。
光电转换层通常由氧化锌或硒化物等材料制成。
2.3 信号放大和读出CMOS芯片集成了信号放大和读出电路，可以直接将电荷转换为电压信号。
由于信号放大和读出电路集成在同一芯片上，CMOS具有更高的集成度和更小的尺寸。
3. CCD与CMOS的应用CCD和CMOS这两种光电转换器件在不同领域具有广泛的应用。
《CCD工作原理》课件
CCD的应用领域
CCD广泛应用于数码相机、 摄像机、天文学、医学影 像等领域
CCD的组成
1
CCD的基本构造
CCD由像元阵列、电荷转移区域和读出电路组成
2
CCD的控制逻辑
CCD通过控制电压和时序信号实现电荷传输
3
CCD的工作模式
CCD可以工作在连续取像模式和快门模式
CCD的工作原理
1 光电效应
2 光电二极管
光电效应使得光子被吸收后产生电子
光电二极管用于将光信号转换为电荷信号
3 电荷耦合器件
电荷耦合器件用于控制、传输和读出电荷信号
CCD的工作流程
1
像素转换
光子被吸收并转换为电子，产生电荷
2
电荷传输
电荷通过电场被传输至读出电路
3
读出信号
读出电路将电荷转换为电信号
CCD的优缺点
优点
高灵图像质量和响应速
CCD有望在更多领域得
度
到应用，如虚拟现实和
人工智能
缺点
能耗较高、动态范围相对较小
应用案例
拍照过程
CCD用于数码相机中的图像捕 捉和处理
相机使用的CCD
相机中使用高质量CCD芯片， 提供清晰和细腻的图像
其他应用场景
CCD还被应用于天文学、医学 影像等领域
总结
1 CCD的意义
CCD在图像捕捉和处理 方面发挥着重要作用
2 CCD的进展
CCD技术不断发展，提
《CCD工作原理》PPT课 件
欢迎大家来到《CCD工作原理》PPT课件。在本课程中，我们将探讨什么是 CCD，它的组成，工作原理以及应用领域。让我们开始吧！
什么是CCD
CCD的全称
光电子器件第六章ccd和cmos
本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作原理和典 型应用问题 。
• 6.2.5转移信道结构 • 体沟道CCD （BCCD)
模拟信号
数字信号
6.2.6 通道的横向限制
如果电极间距较大，势阱形状将发生弯曲变化， 会使信号电荷漏出，外面的电荷也会漏进来。为了 限制势阱的横向范围，形成一个高势能的位垒，将 沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散 和氧化物台阶法。
•
CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输出方式消除了 电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能 够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制 造成本是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进 入了更为广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的 实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信 息，可以观察人们不能直接观测的图像（如放射环境的图像，敌方阵地图像等）。 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研 究成为当今高新技术的主流课题。
f 1 3 g
线型器件，它可以直接将接收到的一维光
信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图 像信号。若想用线阵CCD获得二维图像信号， 必须使线阵CCD与二维图像作相对的扫描运动， 所线以用线阵CCD对匀速运动物体进行扫描成像 是型图非常方便的。
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CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的 应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推动了广播电视、工业电视、 医用电视、军用电视、微光与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促 进了公安刑侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。
• 6.1.2 图像传感器的分类 图像传感器按其工作方式可分为扫描型两类和直视型。扫描型图像传感器件
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加上正电压MOS电容的能带
(a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。 (b)栅压UG增大到开启电压 Uth时 ,半导体表面的费米能级
高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。
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有信号电荷的势阱
• 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚 集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。
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6.2.3电荷耦合原理
• ６．2.３ 电荷耦合 原理
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6.2.4 CCD的电极结构 • 1.三相单层铝电极结构
• 2. 三相电阻海结构
光学系统
CCD2
3. 三相交叠硅栅结构
4. 二相硅-铝交叠栅结构
第6章 ccd和cmos成像器件
6.1 图像传感器简介
6.1.1 图像传感器发展历史
完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠 久，种类很多。
早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像 。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图 像。使它的应用受到限制。
•
CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输出方式消除了 电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能 够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制 造成本是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进 入了更为广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的 实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信 息，可以观察人们不能直接观测的图像（如放射环境的图像，敌方阵地图像等）。 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用 研究成为当今高新技术的主流课题。
6.2 电荷耦合器件的结构和工作原理
6.2.1mos结构特征
• CCD是一种半导体器件
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图9.7.1 MOS电容的结构 1．金属 2．绝缘层SiO2
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输入栅
输入二极管
Ф1 Ф2 Ф3
输出栅 输出二极管
SiO2
P型Si
耗尽区
电荷转移方向
CCD的MOS结构
当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽 区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸为电视制式。数字图像传输与处理过程 中根据计算机接口方式的不同也规定了许多种类的制式。
扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号（或称其为数字 图像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、 显示及分析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传 感器的应用范围。
1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍 要求在2 000lx以上。
1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结 构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。
1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩 色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2 英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光 的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。
直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将入射辐射图像 通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强， 并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产 生可见光图像。
本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作 原理和典型应用问题 。
正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。 对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。
平带条件下的能带
Ec导带底能量 Ei禁带中央能级 Ef费米能级 Ev价带顶能量
平带条件： 当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从 体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量)从表面到 内部是平的。
通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输 出出来。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放大 和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信 号。
视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能保证图像信息 不产生失真，这种规则称为制式。
1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅 靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。
1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像 传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器
从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。
• 5. 阶梯状氧化物结构
被测物 重叠部分
光学系统1 光学系统2
CCD2
6. 四相CCD
• 6.2.5转移信道结构
• 体沟道CCD （BCCD)
模拟信号
数字信号
6.2.6 通道的横向限制
如果电极间距较大，势阱形状将发生弯曲变化，会使信号电荷漏出， 外面的电荷也会漏进来。为了限制势阱的横向范围，形成一个高势能的 位垒，将沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散和氧化物台 阶法。 １、加屏蔽电场：