传感器的哈工大版.pptx

固体图像传感器也称电荷耦合器件（Charge Coupled Devices）20世纪60年代末，美国贝尔实验室W.S.波涅尔，G.E..史密斯等人发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合概念和一维CCD器件模型。1975年美国RCA公司的（513×320）象素面阵CCD摄像机首先问世，根据不同用途的需要，目前已经研制出多种类型的线阵CCD器件并向高灵敏度、高速度和高光谱响应方向发展。 CCD是一种高性能光电图像传感器件，由许多个光敏象素组成，用集成电路工艺制成，每个象素就是一个MOS电容器。以电荷包的形式存储和传输，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。CCD可以实现光电转换、信号存储、转移、输出、处理以及电子快门等一系列功能。 ; CCD分为线阵和面阵两种。光敏单元排列为行的称为线阵CCD；面阵CCD器件象素排列为一个平面，又分为彩色和黑白两种。 线阵CCD主要用于传真、工业自动检测、定向探测等领域，现在具有高灵敏度的CCPD已经取代了原来的普通MOS型CCD。面阵CCD主要用于转配轻型摄像机供工业监视和民用。图像传感器的象素数最高已达到百万以上。 线阵CCD器件型号性能表;型号;一、CCD结构与原理; 当UGUth时，半导体与绝缘体界面上的电势 增大，以致于将半导体体内的电子吸引到表面， 形成一层极薄的(约10-2μm)但电荷浓度很高的反 型层，如图3所示。反型层电荷的存在表明了 MOS结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压 由零突变到高于阈值电压时，半导体中的少数 载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸。而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。 如果此时有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱俘获，而同时光生空穴则被电场排斥出耗尽区。此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。势阱中所收集的光生电荷称为一个电荷包。;2、电荷包的存储 每一个CCD单元都是一个电容器，因此它可以存储电荷。但是当有电荷包注入时，因为它要保持??板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷与负离子之和，势阱深度随之变浅。每个极板下的势阱中所能存储的最大信息电荷量为 Q＝CoxUGA Cox为单位面积的氧化层的电容；A为极板面积。 3、电荷包的转移 CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。读出移位寄存器是电荷图像的输出电路，它也是MOS结构，即由金属电极、氧化物和半导体三部分组成。它与MOS光敏单元区别为：半导体的底部覆盖上一层遮光层，防止外界光的干扰；由三组（或二组、四组等）邻近的电极组成一个耦合单元，即三相CCD。;;读出移位寄存器工作过程 在三个电极上分别施加脉冲信号?1、?2、?3 ，如上图所示，在t0时刻，第一相时钟?1处于高电平， ?2、?3 处于低电平。此时，第一组电极下形成深势阱，信息电荷存储其中。在t1时刻， ?1、?2处于高电平，?3处于低电平，电极?1、?2下都形成势阱。由于两个电极靠得很近，电荷从电极?1耦合到电极?2下。t2时刻， ?1电压减小，极板下的势阱减小， ?2处的电压升高，势阱增大，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移。t3时刻， ?2为高电平， ?1、?3为低电平，电荷全部转移到第二组电极下面。完成一次电荷转移。这样，在三相脉冲的控制下，电荷不断向右转移，直到最后位依次不断向外输出。根据输出先后可以辨别出电荷是属于哪个光敏元的。;4、电荷包的输出机构 CCD电荷包输出机构的形式很多，其中最简单的是利用二极管的输出机构，如图所示。 图中，与?1 、 ?2、?3相连的电 极称为栅极，与OG相连的电 极称为输出栅，输出栅的右 边是输出二极管。输出栅与 其它栅极一样，加正电压时 也会产生势阱（介于?3的势 阱和输出二极管耗尽区之间 ），将二者连通起来，通过改变OG上的电压控制其下面的通道。例如，电荷包已由?2转入?3，当 ?3下的势阱由深变浅的同时，OG下的势阱也比较深，此时?3中的电荷包就能够通过OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因为二极管是反向偏置的，内部有很强的自建电场，因此二极管耗尽区中的电荷;会很快输出，成为输出回路的电子流。在没有电荷包输出时，a点为高电平，而有电荷包输出时，因为电子流通过负载电阻产生电压降，a点为低电平，a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，即电压的变化就是输出信号。; 在光敏元进行曝光（光积分）时，金