《CCD图像传感器》PPT课件.ppt

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1、CCD图像传感器ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合组件简称）是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。CCD图像传感器简介CCD实物常见的基于CCD光电耦器件的设备嫦娥二号携带的CCD立体摄像机CCD图像传感器CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成

2、的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD传感器的基本结构CCD基本结构分两部分：1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列；2.读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS光敏元结构MOS（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容器是构成CCD的

3、最基本单元。CCD分辨率分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣＤ上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特性。（像素=分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。CCD基本工作原理1.信号电荷的产生2.信号电荷的存贮3.信号电荷的传输4.信号电荷的检测工作原理CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电

4、效应（也就是光生伏打效应）。1.信号电荷的产生信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOS电容器CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。2、信号电荷的存储一个MOS结构元

5、为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUGUth时在栅极G电压为零时，P型半导体中的空穴(多数载流子)

6、的分布是均匀的。当施加正偏压UG(此时UG小于p型半导体的闽值电压Uth)，空穴被排斥，产生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内延伸。每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。三个时钟脉冲的时序Ф3P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2CCD的MOS结构CCD工作过程的第三步是信号

7、电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。3、信号电荷的传输（耦合）(a)初始状态；(b)电荷由①电极向电极②转移；(c)电荷在①②电极下均匀分布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极；(f)三相转移脉冲图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所示。一定时刻后，(2)电极由2V变为

8、10V，其余电极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电压为2V，(2)电极上10V不变，