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1、专题综述2010年第23卷第6期ElectronicSci&Tech/Jun15,2010CCD图像传感器的现状及未来发展胡琳(西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安710071)摘要叙述了CCD固体图像传感器的基本结构及工作原理;从缩小像元尺寸、提高灵敏度、改进暗电流及性能技术方面,介绍了CCD图像传感器技术的发展及现状,为提高CCD性能出现一些独特概念、结构与技术。关键词CCD;图像传感器;图像尺寸;暗电流中图分类号TP212文献标识码A文章编号1007-7820(2010)06-082-04CurrentSituat
2、ionsandFutureDevelopmentsofCCDImageSensorsHuLin(SchoolofTechnicalPhysics,XidianUniversity,Xian710071,China)AbstractThebasicstructureandworkingprincipleoftheCCDsolidmiagesensoraredescribed.Itsdevelop-mentisintroducedfromtheaspectsofreducingthepixelssizeandthedarkcurrentaswella
3、smiprovingthesensitiv-ityandtechnicalperformance.Someuniqueconcepts,structuresandtechnologiesareintroducedtoenhancetheper-formanceofCCD.KeywordsCCD;miagesensors;miagesize;darkcurrent电容耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)是2CCD图像传感器的技术发展历程及现状一种以电荷为信号载体的微型图像传感器。CCD是以硅作为载体,其感光原理是基于硅对光线
4、的吸收以1970年,美国贝尔实验室成功研制了世界上第及对光电子的收集。根据像元排列形状的不同,CCD一只CCD;1973年,仙童公司制造出第一只商用可分为线型和面型两种,其中线型主要应用于影像扫CCD成像器件;80年代后期,CCD在大多数视频应描器及传真机上,而面型主要应用于数码相机、监视用中取代了电子管;进入90年代后,CCD应用于分摄影机等摄像产品。辨率成像,广泛应用于专业电子照相、空间探测、[2]X射线成像以及科学应用等领域。1CCD的结构及工作原理21CCD像元尺寸的缩小与灵敏度的提高CCD的工作原理可以比喻为小桶和光雨。由于像元
5、尺寸的减小,输出电压饱和度和灵敏度CCD的结构就像是传送带上的并排小桶,光线像雨也随之减小,尤其是像元尺寸减小到2m以下,有滴般离散地射入这些小桶,每一个小桶代表一个像很大的灵敏度损失。许多图像传感器公司在缩小像元[1]元。这里,小桶是指用于对光电流积分的光电二极尺寸的同时,针对上述问题提出了技术改进。比如通管PN结反偏结电容;传送带代表CCD的读出电路。过Si3N4侧墙隔离缩小栅电极间距;优化微透镜形当对CCD曝光后,光电二极管首先通过其反偏结电状,采用片上微透镜、无缝透镜、内嵌透镜以及复合容对光电流积分,记录光电荷;接着通过一组时钟控透镜等技术;
6、运用低寄生电容的设计改善转换因子;制,交替改变读出电路结构中相邻MOSFET的反偏势采用背面光照技术等,使饱和电压和灵敏度得到充分[3-4]阱,使之前获得的光电荷包按顺序依次通过改善。MOSFET,最终到达输出端,依次传递相邻两次曝光22CCD中暗电流的改善产生的光电荷包。众所周知,器件中界面态的存在较大地增加了暗电流与暗固定图案噪声。一种解决方法是,采用埋沟收稿日期:2009-11-25器件结构,虽然埋层沟道较好地解决了界面态的问作者简介:胡琳(1985-),女,硕士研究生。研究方向:数题,但制造比较复杂。另一种解决方法是,利用空穴字图像处理。对
7、界面态的填充减小暗电流。当界面态被电荷充满82胡琳:CCD图像传感器的现状及未来发展专题综述[5-6][10]后,便不再产生任何暗电流。脉冲调制CCD一集成。个像元的栅,使MOS结构连续达到积累模式又返回232CCD读出噪声的抑制深耗尽模式,使界面偏置在积累模式时吸引足够的空在改善读出噪声方面,NEC公司开发了新型复[7]穴来填充界面态,这是利用电荷泵作用(Charge合氧化层技术晶体管的3级源跟随放大器,其第2和Pumping)来减小暗电流。这种方法也有一些局限性,第3级栅绝缘层厚度比CCD寄存器薄,这使得它比[8]主要表现在对时钟与温度的依赖
8、,在一个短暂的时钟传统放大器增加了17%的增益。由于放大器噪声周期后,界面态释放其中的空穴又开
