CCD图像传感器

高等教育电气工程与自动化系列规划教材传感器与检测技术第十三章CCD图像传感器传感器与检测技术第十三章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）；传感器与检测技术第十三章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）；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。传感器与检测技术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。传感器与检测技术13.1.1MOS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（VGVT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传感器与检测技术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：0)(0)()(0022dddxxxxxxsAsdxxdVExVqNdxxVd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：20)(2)(dsAxxqNxV传感器与检测技术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：sdAxsxqNxV0202)(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，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。传感器与检测技术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。传感器与检测技术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。传感器与检测技术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VG1VG2（如下图所示），因VG2高，表面形成的负离子多，则表面势中Φ2Φ1，电子的静电位能-qΦ2-qΦ10，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VG1VG2……VGN，则可形成一个输运电子的路径，从而实现电子的转移。传感器与检测技术13.1.3CCD的工作原理由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。下图为三相三位N沟CCD器件，其中，Ip（图中未画出）为输入电极，IG（图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，OP为输出极，Φ1、Φ2、Φ3为3个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为Φ1→Φ2→Φ3→Φ1，且3个脉冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。Φ1驱动1、4电极，Φ2驱动2、5电极，Φ3驱动3、6电极。传感器与检测技术13.1.3CCD的工作原理由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。三相三位N沟CCD器件的结构、驱动和转移示意图传感器与检测技术13.1.3CCD的工作原理t1时刻：Φ1=l，Φ2=Φ3=0；l、4势阱最深，2、5和3、6势阱为0。t2时刻：Φ1=l/2，Φ2=1，Φ3=0；1、4势阱变为1/2，2、5势阱变为l，1、4势阱中的电子会向2、5势阱中移动。t3时刻：Φ1=0，Φ2=1，Φ3=0；Φ1电极下的电子全部转移至Φ2电极下的2、5势阱中。t4时刻：Φ1=0，Φ2=l／2，Φ3=1；Φ2电极下2、5势阱中的电子向Φ3电极下的3、6势阱中转移。t5时刻：Φ1=0，Φ2=0，Φ3=1，Φ2电极下的电子全部转移至Φ3电极下的3、6势阱中。传感器与检测技术13.1.3CCD的工作原理如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷包直接输出。由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器CCD图像传感器从结构上可分为线阵型和面阵型两种。线阵型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元和寄存器之间有一个专以控制栅，基本接口如下图所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光几分周期里，各个光敏源中所积累的光电荷与该光敏原上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由一位寄存器串行输出，如此重复上述过程。传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器线阵型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线阵型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别等领域。面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输3种。下面分别给以介绍。线阵型CCD图像传感器传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器（１）行传输（LT）面阵型CCD下图(a)给出了LT面阵CCD的结构。它由选址电路、感光区、输出寄存器组成。当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器转移到输出端。行传输的缺点是需要选址电路，结构较复杂，且在电荷转移过程中，必须加脉冲电压，与光积分同时进行，会产生“拖影”，故较少采用。传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器2）帧传输（FT）面阵型CCD图(b)给出了帧传输CCD面阵型图像传感器的结构图，它可以简称为FT-CCD，由感光区、暂存区和输出寄存器3部分组成。感光区由并行排列的若干电荷耦合沟道组成，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极条横贯各沟道。假设有M个转移沟道，每个沟道有N个感光单元，则整个感光区有M·N个单元。它一般采用三相时钟驱动，如图13-6所示，感光区的三相时钟为，IΦ1、IΦ2、IΦ3。暂存区的三相时钟为SΦ1、SΦ2、SΦ3。读出寄存器的三相时钟为RΦ1、RΦ2、RΦ3。暂存区的结构与感光区相同，用覆盖金属遮光。设置暂存区是为了消除“拖影”，以提高图像的清晰度并与电视图像的扫描制式相匹配。传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器帧传输结构的工作过程是：感光区在积分期积累起一帧电荷包，积分期结束后，感光区和暂存区加频率为fcv1的驱动时钟，感光区的信号电荷包向下转移，至暂存区；然后感光区进人下一个积分期，暂存区内电荷图像在频率为fcv2的时钟驱动下向读出寄存器转移。读出寄存器以频率为fCH的时钟驱动，使电荷包一个一个输出，（fCH大于M·fcv2）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子拖影，频率fcv1需较高，为了降低输出寄存器的驱动率fCH，必须适当降低fcv2。而fcv1必须与感光区的积分期相适应（大于N·fcv2)。所以，实际中应该选择适当的频率以达到最佳图像质量。为了减少图像的闪烁，帧传输型面阵图像传感器一般采用隔行扫描的方式，即在每个帧周期中显示两场，第一场显示所有的奇数行，第二场显示偶数行。实现这种扫描方式，帧传输图像传感器本身的结构不需改变，只需改变感光区各相电极时序脉冲。帧传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器传输图像传感器的主要优点是分辨率高、弥散性低、噪声小。缺点是由于设置暂存区，器件面积增加了50%。帧传输驱动结构传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器上图(c)给出了行间传输面阵型CCD图像传感器的结构。它的光敏单元彼此分开，如下图所示，每列光敏单元的右侧是垂直转移寄存器。各个光敏单元的信号电荷包通过转移栅转移到遮光的垂直转移寄存器中，然后再按顺序从各行的转移寄存器转移到水平读出寄存器中。这种传输方式的时钟电路较复杂，但调制转移函数（MTF）较好。ILT-CCD的单元平面结构如右下图所示，光敏元件1产生并积累信号电荷；3用于排泄过量的信号电荷；2是上述两个环节的控制栅，2与3的作用是共同避免过量载流子沿信道从一个势阱溢汇到另一个势阱，从而造成再生图像的光学拖影与弥散；4是光敏元件1两侧的沟阻（CS），它的作用是将相