传感器原理孟立凡蓝金辉cgq11

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1、第11章固态图像传感器11.1电荷耦合图像传感器11.2其它类型的图像传感器11.3固态图像传感器的应用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、X射线、近红外光等的探测。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、多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。固态图像传感器是在同一块半导体衬底上布设若干光敏单元与移位寄存器而构成的器件，是一种集成化、功能化的光电器件。光敏单元又称为“像素”或“像点”，不同的光敏单元在空间上、电气上彼此独立。每个光敏单元

2、将自身感受到的光强信息转换为电信号，众多的光敏单元一起工作，即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。固态图像传感器主要有五种类型：电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）、电荷注入器件CID（ChargeInjectionDevice）、金属－氧化物－半导体(MOS)、电荷引发器件CPD（ChargePrimingDevice）和叠层型摄像器件。11.1.1CCD的基本工作原理CCD（ChargeCoupleDevices，电荷耦合器件）可以把

3、光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，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。突出特点：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。基本功能：电荷的存储和电荷的转移。主要问题：信号电荷的产生、存储、传输和检测。11.1电荷耦合图像传感器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SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类

4、器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。1.CCD的MOS结构及电荷存贮原理(1)结构CCD是MOS（MetalOxideSemiconductor）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。其基本单元的MOS电容结构如下图所示。它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力。在P型硅衬底上生长一层SiO2,再在SiO2层上沉积金属铝作为栅极构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。MOS电容上没加电压时，半导体的能带结构如图（a）所示，从界面层到内部能带都是一样的，即所谓平带条件。对P型半导体来说，若在金属—半导体间加正

5、电压，金属电极板上就会充上一些正电荷，电极下的P型硅区域内的多数载流子（空穴）便会受到排斥，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，这样在硅表面处就会形成一个耗尽区。与此同时，氧化层与半导体界面处的电动势发生变化，在耗尽层中电子能量从体内到界面由高向低弯曲，如图b所示。这时只呈现出一般耗尽状态，耗尽区厚度正比于外加电场；当栅压增大超过某特征值Uth时，能带进一步向下弯曲，以至使半导体表面处的费米能级高于禁带中央能级，MOS器件处于深耗尽状态，在相交点与界面之间逐渐形成一个反型层。如图c所示。把Uth称为MOS管的阈值电压。这时若有信号电荷(电子)注入

6、，则可贮存在深耗尽区域内，这种能贮存电子的区域称为电子“势阱”,势阱具有存储电子（电荷）的功能,每一个加正电压的电极下就是一个势阱。表面势阱中的自由电荷称为电荷包。势阱的深度取决于正电压U的大小,势阱的宽度取决于金属电极的宽度。若U增加，栅极上充的正电荷数目增加，P型硅区域内的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加，表面势阱加深。(2)电荷存储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。这些光生电荷将储存在电极形成的势阱中，形成信

7、号电荷存储起来。势阱能够储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。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。2、电荷转移工作原理1）电荷的定向转移若两个相邻MOS光敏元所加的栅压不同，则栅压高的形成的势阱深，且浅势阱中的电子有向深势阱中下移的趋势。当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅，实现电荷的存储和转移。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。控制相

8、邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，让MOS电容间的排列足够紧密，使相邻MOS电容的势阱相