基本工作原理课件.ppt

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1、教学进度图像传感器的概述光电技术基础光源CCD图像传感器基本工作原理典型面阵ICCD视频信号处理及计算机数据采集图像传感器的典型应用典型线阵ICCD图像传感器基本原理及电视制式第五讲CCD图像传感器基本工作原理CCD型图像传感器突出特点：以电荷为信号载体；CCD的基本功能：电荷的存储和电荷的转移；CCD图像传感器的基本工作过程：光电转换（将光转换成信号电荷）电荷的储存（存储信号电荷-光积分）电荷的转移（转移信号电荷）电荷的检测（将信号电荷转换成电信号）光电二极管FD放大器CCDCCD的工作过程1前照明光输入1背照明光输入2电荷生成3电荷收

2、集4电荷转移5电荷测量视频输出电荷存储电荷耦合CCD电极结构电荷注入和检测CCD特性参数电荷耦合摄像器件：工作原理、特性参数第五讲CCD图像传感器基本工作原理一、电荷存储——光电转换得到的信号电荷怎么存储？信号电荷以何种机制储存？信号电荷是空穴还是电子？——CCD多用电子利用电子可以被高电势所吸引的性质。在光电二极管中，不管用什么方法只要做出高于周围电势的部分，信号电荷(电子)就可以在此集中储存。电势阱：储存信号电荷的电势分布状态为了存储电荷必须制造一个存储区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集电荷不被复合。MOS电容器（也称

3、MOS二极管）CCD是由若干MOS单元组成，它具有存储和转移信息的能力，故又称为动态移位寄存器。MOS电容器有二种类型：表面沟道和掩埋沟道。这二种类型MOS电容器的制造只有些许不同；然而，由于埋沟电容结构具有很多显著的优点，因此这种结构成了CCD制造工艺的首选。事实上今天制造的所有CCD几乎都利用埋沟结构。CCD的构成基础：MOS电容器(Metal-Oxide-Semiconductor)金属-氧化物-半导体MOS电容器的结构如图所示。在P型（或N型）半导体硅衬底上，生长一层很薄的SiO2绝缘层，再蒸镀上一层金属(铝)或高掺杂的多晶硅作为

4、栅电极。衬底接地，栅极外接电压。半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为P型硅衬底和N型硅衬底，它对应不同的沟道形式，由于电子迁移率高，所以，大多数CCD选用P型硅衬底。当在栅电极上加上UG＞0的小电压时，P型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在Si表面处只留下一层不能移动的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”，形成图中的充电区域(空间电荷区)称作耗尽区。（相当于MOS电容器充负电）UG为零时，Si表面没有电场的作用，其多数载流子浓度与体内一样。Si本身呈电中性。P型半导体多数载流子为空穴。正电压UG进一多增加，当UG超过

5、某一阈值Uth时，将使得半导体体内的电子（少数载流子）被吸引到半导体表面附近，形成一层极薄（厚度约10nm）但电荷浓度很高的反型层。这种情况称之为“反型状态”。（电势能最低点）反型层电荷的存在表明MOS结构存储电荷的功能。表面势：半导体与氧化层界面上的电势。表面势表征了耗尽区的深度，与栅极电压和氧化层厚度有关不同氧化层厚度不存在反型层电荷时势阱：由表面势产生的阱状空间。有的定义为：存储电荷的电势分布状态。电极上的电压越大，势阱越深，可存储的电荷量越多，也就代表了CCD器件具有电荷存储功能。理论分析参见半导体物理栅极电压不变时，表面势与反型

6、层电荷密度的关系：反型层电荷填充势阱时，表面势收缩的情况：势阱存信号电荷类似水桶盛水水桶模型溢出现象电荷的收集埋沟MOS电容器二氧化硅电极N型硅P型硅光生电子－空穴对耗尽区埋沟电容是在一个p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面上形成一个n-型区(~1μm厚)；然后，生长出一层薄的二氧化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。电子的势能：q是电子的电荷量，而为静电势2-6无偏置时，n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散，p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散；这个结构与二极管

7、结的结构完全相同。上述的扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。np沿此线的电势示于上图.电势CCD厚度方向的截面图这种‘埋沟’结构的优点是能使光生电荷离开CCD表面，因为在CCD表面缺欠多，光生电荷会被俘获。这种结构还可以降低热噪声（暗电流）。电荷的收集MOS电容器电子势能最小的地方位于n-型区内并与硅-二氧化硅(Si-SiO2)的交界面有一定距离这个势能最小(或电位最高)的地方就是多余电子聚集的地方。CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，

8、形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。电荷的收集MOS电容器电势电势势能势能CCD曝光时，产生光生电荷，光生电荷在势阱里收集。随着电荷的增加，电势将逐渐变低，势阱