2019CCD图像传感器详解

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1、CCD图像传感器详解　　CCD图像传感器　　CCD全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD

2、作图象探测元件。　　一个完整的CCD器件光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。于CCD光敏元可做得很小，所以它的图象分辨率很高。一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理　　CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。以P型硅

3、为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层，电子一旦进入于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。　　当器件受到光照时，光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，

4、实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。　　金属氧化物　　电子　　少数载流子耗尽区PSi　　静电位能　　表面势　　势阱信号电荷　　图1CCD结构和工作原理图　　(a)用作少数载流子贮存单元的MOS电容器剖面图　　(b)有信号电荷的势阱，图上用阱底的液体代表　　总之，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”

5、就实现了图象的传递。二．电荷的转移与传输　　CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器，它的表面不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。上面讨论可知，MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。制造时将MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”。认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小，在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷浅处流向深处，实现信号电荷转移。　　为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为

6、严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理。1.三相CCD传输原理　　简单的三相CCD结构如图2所示。每一级也叫一个像元，有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极都接在一起，3个相　　0　　位相差120的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动，故称三相CCD，图2为断面图；图为俯视图；图给出了三相时钟之间的变化。在时刻t1,第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。这时第一组电极1、4、7下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图所示。在t2时刻φ1电压线性减少，φ2为高电压，在第一组电极下的势

7、阱变浅，而第二组电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到t3时刻，φ2为高压，φ1、φ3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3，然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级，依次类推，信号电荷一直电极1、2、3N向右移，直到输出。　　(a)　　t1t2t3　　(c)　　t1t2t3t4　　图2三相CCD传输原理图　　(b)　　(d)　　2．二相CCD传输原理　　CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非

8、对称势阱.