CCD图像传感器.ppt

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1、第十三章CCD图像传感器第十三章CCD图像传感器光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、存储、传输、处理，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外光、x射线、红外光、微光和电子轰击等，广泛用于图像识别和传送，例如摄像系统、扫描仪、复印机、机器人的眼睛等。固态图像传感器按其结构可分为三种：一种是电荷耦合器件（charge-CoupledDevices，简称CCD）；第十三章CCD图像传感器第二种是MOS型图像传感器，又称自扫描光电二极管阵列（SelfScannedPhohodiodeArray，简称SSPA）；

2、第三种是电荷注入器件（chargeInjectionDevice，简称CID）。目前前两者用得最多，CCD型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好；MOS型图像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单，下面分别介绍。13.1电荷耦合器件（CCD）CCD是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是在MOS结构电荷存贮器的基础上发展起来的，所以有人将其称为“排列起来的MOS电容阵列”。一个MOS电容器是一个光敏元，可以感应一个像素点，则若一个图像有多少个像素点，就需要同样多个光敏元，即采集一幅图像需要含有许多MOS光敏元的大规模集成器件。13.1.1

3、MOS光敏元的结构与原理下图给出了P型半导体MOS光敏元的结构图，制备时先在P-Si片上氧化一层SiO2介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。半导体与SiO2界面的电荷分布其工作原理为：在栅极上突然加一个VG正脉冲（VG>VT阈值电压），金属电极板上就会充上一些正电荷，电场将P-Si中SiO2界面附近的空穴排斥走，在少数电子还未移动到此区时，在SiO2附近出现耗尽层，耗尽区中的电离物质为负离13.1.1MOS光敏元的结构与原理此时半导体表面处于非平衡状态，表面区有表面电势Φs，若衬底电位为0，则表面处电子的静电位能为-qΦs。在半导体空间电荷

4、区，电位的变化可由泊松方程确定。设半导体与SiO2界面为原点，耗尽层厚度为xd，泊松方程及边界条件为：式中V(x)为距离表面x处的电势；E为x处的电场；NA为P-Si中掺杂物质的浓度；ε0、εS分别为真空和SiO2的介电常数。可解得：13.1.1MOS光敏元的结构与原理于是如上图所示，半导体与绝缘体界面x=0处的电位为：因为Φs大于0，电子位能-qΦs小于0，则表面处有贮存电荷的能力，一旦有电子，这些电子就会向耗尽层的表面处运动，表面的这种状态称为电子势阱或表面势阱。若VG增加，栅极上充的正电荷数目也增加，在SiO2附近的P-Si中形成的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加

5、，表面势阱加深。另外，若形成MOS电容的半导体材料是N-Si，则VG为负电压时，会在SiO2附近的N-Si中形成空穴势阱。13.1.1MOS光敏元的结构与原理当光照射到MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷

6、的增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充满），所以收集电子的量要调整适当。13.1.1MOS光敏元的结构与原理当光照射到MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小（由于

7、电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充满），所以收集电子的量要调整适当。13.1.2电荷转移原理设想在驱动脉冲的作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距为15μm~20μm。若两个相邻MOS光敏元所加的栅压分别为VG1Φ1，电子的静电位能-qΦ2<-qΦ1<0，则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，即1中的电子有向2中下移的趋势。若串联很多光敏元，且使