固體成像器件

光電成像器件－－固體成像器件分類能進(jìn)行光電變換、光電信號(hào)存儲(chǔ)和掃描輸出的器件CCDCMOS與真空光電器件相比1、全固體化，體積小，重量輕，工作電壓和功耗低；耐沖擊性好，可靠性能好，壽命長。2、基本上不保留殘像，無像元燒傷，不受電磁干擾。3、對(duì)紅外也敏感，Si的光譜響應(yīng)從0.5-1.1um，CCD可做成紅外敏感元件，在軍事上可用于紅外夜視系統(tǒng)4、像元的尺寸幾何位置精度高（優(yōu)于1μ）可用于精密尺寸測(cè)量5、視頻信號(hào)與計(jì)算機(jī)接口容易一、電荷耦合器件電荷耦合器件簡(jiǎn)稱為CCD(ChargeCoupledDevices)，是20世紀(jì)70年代初開始發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件。從CCD概念提出到商品化的電荷耦合攝像機(jī)出現(xiàn)僅僅經(jīng)歷了四年。其所以發(fā)展迅速，主要原因是它的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。它在數(shù)字信息存貯、模擬信號(hào)處理以及作為圖像傳感器等方面都有十分廣泛的應(yīng)用。（一）、CCD工作原理CCD的突出特點(diǎn)在于它以電荷作為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作原理應(yīng)是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測(cè)。

CCD有兩種基本類型，一種是電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這種器件稱為表面溝道CCD(簡(jiǎn)稱為SCCD)，另一種是電荷包存貯在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這種器件稱為體溝道或埋溝道器件(BCCD)。下面以SCCD為主討論CCD的基本工作原理。1、電荷存貯圖為金屬－－氧化物－－半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)圖。在柵極未施加偏壓時(shí)P型半導(dǎo)體中將有均勻的空穴(多數(shù)載流子)分布。如果在柵極上加正電壓，空穴被推向遠(yuǎn)離柵極的一邊。在絕緣體Si02和半導(dǎo)體的界面附近形成一個(gè)缺乏空穴電荷的耗盡區(qū)隨著柵極上外加電壓的提高，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散。絕緣體si02和半導(dǎo)體界面上的電勢(shì)(為表面勢(shì)Φs)隨之提高，以致于將耗盡區(qū)中的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面，形成一層極薄(約102μm)而電荷濃度很高的反型層，形成時(shí)的外加電壓稱為閾值Vth

反型層的出現(xiàn)說明了柵壓達(dá)到閾值時(shí)，在Si02和P型半導(dǎo)體之間建立了導(dǎo)電溝道。因?yàn)榉葱蛯与姾墒秦?fù)的，故常稱為N型溝道CCD。如果把M0S電容的襯底材料由P型換成N型，偏置電壓也反號(hào)，則反型層電荷由空穴組成，即為P型溝道CCD。實(shí)際上因?yàn)椴牧现腥狈ι贁?shù)載流子，當(dāng)外加?xùn)艍撼^閾值時(shí)反型層不能立即形成；所以在這短暫時(shí)間內(nèi)耗盡區(qū)就更向半導(dǎo)體內(nèi)延伸，呈深度耗盡狀態(tài)。深度耗盡狀態(tài)是CCD的工作狀態(tài)。這時(shí)MOS電容具有存貯電荷的能力。同時(shí)，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，界面勢(shì)下降，氧化層上的電壓降增加。當(dāng)提供足夠的少數(shù)載流子時(shí)，就建立起新的平衡狀態(tài)，界面勢(shì)降低到材料費(fèi)密能級(jí)ΦF

的兩倍。對(duì)于摻雜為1015／cm3的P型硅半導(dǎo)體，其費(fèi)密能級(jí)為0.3ev。這時(shí)耗盡區(qū)的壓降為0.6ev，其余電壓降在氧化層上。圖為實(shí)際測(cè)得的表面勢(shì)Φs與外加?xùn)艍旱年P(guān)系，此時(shí)反型層電荷為零。圖為出現(xiàn)反型層電荷時(shí)，表面勢(shì)Φs與反型層電荷密度的關(guān)系。可以看出它們是成線性關(guān)系的。根據(jù)上述MOS電容的工作原理，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的液體模型去比擬電荷存貯機(jī)構(gòu)。當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，就建立了耗盡層勢(shì)阱，深度與外加電壓有關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)反型層時(shí)，表面電位幾乎呈線性下降，類似于液體倒人井中，液面到頂面的深度隨之變淺。只是這種勢(shì)阱不能充滿，最后有ΦF的深度2、電荷耦合過t1時(shí)刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D(b)所示，第二個(gè)電極仍保持為l0v，第三個(gè)電極上的電壓由2v變到10v，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來在第二個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有，如圖(b)和(c)。為了理解在CCD中勢(shì)阱及電荷是如何從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置的，取CCD中四個(gè)彼此靠得很近的電極來觀察。假定開始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為10V的第二個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其它電極上均加有大于閾值的較低的電壓(例如2v)。(a)為零時(shí)刻(初始時(shí)刻)若此后電極上的電壓變?yōu)閳D(d)所示，第二個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?v，第三個(gè)電極電壓仍為10v，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個(gè)電極下的勢(shì)阱中，如圖(e)。由此可見，深勢(shì)阱及電荷包向有移動(dòng)了一個(gè)位置。通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需的相數(shù)。本圖結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，其波形如圖(f)所示，這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合(傳輸)方式必須在三相交迭脈沖的作用下才能以一定的方向，逐個(gè)單元地轉(zhuǎn)移。應(yīng)該指出，CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。這對(duì)于圖所示的電極結(jié)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵問題。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢(shì)阱將被勢(shì)壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個(gè)電極向另一個(gè)電極轉(zhuǎn)移。CCD便不能在外部脈沖作用下正常工作。3、電荷的注入和檢測(cè)光注入光注入方式，當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子----空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。光注入方式又可分為正面照射式及背面照射式。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。

電流注入如圖所示，由N+擴(kuò)散散區(qū)(稱為源擴(kuò)散區(qū)，記為S)和P型襯底形成的二極管是反向偏置的，數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)通過隔直電容加到S上，用以調(diào)制輸入二極管的電位，實(shí)現(xiàn)電荷注入。輸入柵IG加直流φ2下勢(shì)阱中的電荷量輸入柵下溝道電流為電荷的檢測(cè)(輸出方式)在CCD中，有效地收集和檢測(cè)電荷是一個(gè)重要問題。CCD的重要特性之一是信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時(shí)鐘脈沖沒有任何電容耦合，但在輸出端則不可避免。因此，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐房梢詫r(shí)鐘脈沖容性饋入輸出的程度盡可能地減小。目前CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。下面對(duì)電流輸出方式作簡(jiǎn)單介紹。電流輸出電流輸出RId電流輸出RD（二）CCD的特性參數(shù)1．轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率把一次轉(zhuǎn)移后，到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來勢(shì)阱中的電荷之比稱為轉(zhuǎn)移效率。如t=0時(shí)，某電極下的電荷為Q(0)，在時(shí)間t時(shí)，大多數(shù)電荷在電場(chǎng)作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分電荷由于某種原因留在該電極下，若被留下來的電荷為Q(t)，則轉(zhuǎn)移效率為如果轉(zhuǎn)移損失率定義為則轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為N次轉(zhuǎn)移后剩下的電荷為N次轉(zhuǎn)移前后電荷之間的關(guān)系為如果線陣列CCD共有n個(gè)極板，則總效率為ηn。

引起電荷包轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對(duì)電子的俘獲和時(shí)鐘頻率過高，所以表面溝道CCD在使用時(shí)，為了減少損耗，提高轉(zhuǎn)移效率，常采用偏置電荷技術(shù)，即在接收信息電荷之前，就先給每個(gè)勢(shì)阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。這樣，即使是零信息，勢(shì)阱中也有一定量的電荷。因此，也稱這種技術(shù)為“胖零（fatzero）”技術(shù)。另外，體內(nèi)溝道CCD采取體內(nèi)溝道的傳輸形式，有效避免了表面態(tài)俘獲，提高了轉(zhuǎn)移效率和速度。兩種頻率下電荷轉(zhuǎn)移損失率與“胖零”電荷之間的關(guān)系

2．工作頻率(1)決定工作頻率下限因素少數(shù)載流子的平均壽命(2)工作頻率的上限從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需的時(shí)間工作頻率與轉(zhuǎn)移損失率的關(guān)系曲線驅(qū)動(dòng)脈沖頻率與損失率之間的關(guān)系曲線(三)CCD攝像器件用于攝像或像敏的CCD稱為電荷耦合攝像器件，又簡(jiǎn)稱為ICCD。它的功能是把二維的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維視頻信號(hào)輸出。ICCD攝像器件不但具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點(diǎn)，而且在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性，也是其他攝像器件無法比擬的。目前，CCD攝像器件不論在文件復(fù)印、傳真、零件尺寸的自動(dòng)測(cè)量和文字識(shí)別等民用領(lǐng)域，還是在空間遙感遙測(cè)、衛(wèi)星偵察、導(dǎo)彈制導(dǎo)及潛望鏡水平掃描攝像機(jī)等軍事偵察系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。ICCD有兩大類型：線型和面型。對(duì)于線型器件，它可以直接接收一維光信息。因?yàn)樗且痪S器件，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出，而必須用掃描的方法來得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)。

N型溝道的三相線陣CCD用于攝像的原理如圖所示。

CCD攝像的原理由光敏陣列、轉(zhuǎn)移柵、模擬位移寄存器和輸出放大器等單元構(gòu)成。（1）．單溝道線型ICCD其光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)——移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。ICCD也可用三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。這種器件在光積分周期里，光敏區(qū)在光的作用下產(chǎn)生光生電荷存于由柵極直流電壓形成的光敏MOS電容勢(shì)阱中，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來時(shí)線陣光敏陣列勢(shì)阱中的信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器中，最后在時(shí)鐘脈沖的作用下一位一位地移出器件，形成視頻傳號(hào)。單溝道線型ICCD結(jié)構(gòu)圖這種結(jié)構(gòu)的CCD轉(zhuǎn)移次數(shù)多，轉(zhuǎn)移效率低，只適用于像敏單元較少的攝像器件。（2）．雙溝道線型ICCD它具有兩列CCD移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵A與B為高電位(對(duì)于N溝道器件)時(shí)，光積分陣列的信號(hào)電荷包同時(shí)按箭頭方向轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的移位寄存器內(nèi)，然后在驅(qū)動(dòng)雙溝道線型ICCD結(jié)構(gòu)圖出。顯然，同樣像敏單元的雙溝道線陣ICCD要比單溝道線陣ICCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也大大提高。故一般高于256位的線陣ICCD都為雙溝道的。脈沖的作用下，分別向右轉(zhuǎn)移，最后以視頻信號(hào)輸2面陣ICCD（1）幀轉(zhuǎn)移圖像經(jīng)物鏡成像到光敏區(qū)，當(dāng)光敏區(qū)的某一相電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，光生電荷將被收集到這些電極下方的勢(shì)阱里。這樣就將被攝光學(xué)圖像變成了光積分電極下的電荷包圖像。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí)，加到成像區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)電極上的時(shí)鐘脈沖使所收集到的信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)中。然后，依靠加在存儲(chǔ)區(qū)和水平讀出寄存器上的適當(dāng)脈沖，并由它經(jīng)輸出級(jí)輸出一幀信息。當(dāng)?shù)谝粓?chǎng)讀出的同時(shí)，第二場(chǎng)信息通過光積分又收集到勢(shì)阱中。一旦第一場(chǎng)信息被全部讀出，第二場(chǎng)信息馬上就傳送給寄存器，使之連續(xù)地讀出。這種面陣CCD的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光敏單元的尺寸可以很小，但光敏面積占總面積的比例小。（2）隔列轉(zhuǎn)移型面陣ICCD(四)ICCD的基本特性1.光電轉(zhuǎn)換特性在ICCD中，電荷包是由入射光子被硅襯底吸收產(chǎn)生的少數(shù)載流子形成的，因此，它具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子可達(dá)到99．7％2.光譜響應(yīng)ICCD接受光的方式有正面光照與背面光照兩種不同方式。由于ICCD的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射的光譜靈敏度比背面照射時(shí)低。即使是透明的多晶硅電極也會(huì)因?yàn)殡姌O的吸收以及在整個(gè)硅－－二氧化硅界面上的多次反射引起某些波長的光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)若干個(gè)明暗條紋，使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)若干個(gè)峰與谷，即發(fā)生起伏。為此，ICCD常采用背面照射的方法。采用硅襯底的ICCD，其光譜響應(yīng)范圍為0．4～1．1μm。其平均量子效率為25％。3．噪聲和動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍由勢(shì)阱的最大電荷存儲(chǔ)量與噪聲電荷量之比決定。①勢(shì)阱的最大電荷存儲(chǔ)量。②噪聲CCD中有以下幾種噪聲源：電荷注入噪聲；電荷轉(zhuǎn)移過程中，電荷量的變化引起的噪聲和檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。4．暗電流①耗盡的硅襯底中電子自價(jià)帶至導(dǎo)帶的本征躍遷。②少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散③來自sio2表面引起的暗電流④si-sio2

界面表面引起的暗電流5分辨率分辨率是圖像傳感器的重要特性。常用光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)中的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來評(píng)價(jià)。圖為寬帶光源(白光)與窄帶光源照明下某線陣ICCD的MTF曲線。圖中橫坐標(biāo)為歸一化的空間頻率，縱坐標(biāo)為其模傳遞函數(shù)。(五)CCD攝像機(jī)的分類1．依成像色彩劃分(1)彩色攝像機(jī)適用于景物細(xì)部辨別，如辨別衣著或景物的顏色。因有顏色而使信息量增大．信息量一般認(rèn)為是黑白攝像機(jī)的l0倍；(2)黑白攝像機(jī)適用于光線不充足地區(qū)及夜間無法安裝照明設(shè)備的地區(qū)，在僅監(jiān)視景物的位量或移動(dòng)時(shí)，可選用分辨率高于彩色攝像機(jī)的黑白攝像機(jī)。

2．按圖像信號(hào)處理方式劃分(1)數(shù)字視頻(DV)格式的全數(shù)字式攝像機(jī)：(2)帶數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能的攝像機(jī)；(3)模擬式攝像機(jī)。4．按攝像機(jī)分辨率劃分 200萬象素 400萬象素 800萬象素3．按攝像機(jī)結(jié)構(gòu)區(qū)分(1)普通單機(jī)型，鏡頭需另配;(2)機(jī)板型(boardTyPe)攝像機(jī)部件和鏡頭全部在一塊印刷線路板上(3)針孔型(pinho1etype)帶針孔鏡頭的微型化攝像機(jī)；(4)半球型(dometype)是將攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩或者還包括云臺(tái)和解碼器組合在一起的緊湊型攝像前端系統(tǒng)，使用方便。

5．按攝像機(jī)靈敏度劃分(1)普通型正常工作所需照度為(1—3)lx，(2)月光型正常工作所需照度為0．11x左右；(3)星光型正常工作所需照度為0．011x以下(4)紅外照明型原則上可以使可見光零照度，6．按靶面大小劃分以常規(guī)的有：(1)1in靶面尺寸為寬12．7mm×高9．6mm．對(duì)角線16mm；(2)2／3in靶面尺寸為寬8．8mm×高6．6mm,

對(duì)角線11mm；(3)1／2in靶面尺寸為寬5．4mm×高4．8mm，對(duì)角線8mm(4)1／3in靶面尺寸為寬4．8mm×高3．6mm，對(duì)角線6mm(5)1／4in靶面尺寸為寬3．2mm×高2.4mm，對(duì)角線4mm(6)1／6in靶面尺寸為災(zāi)2．7mm×高2．2mm，對(duì)角線3.5mm二、CMOS圖像傳感器到20世紀(jì)90年代初，CCD技術(shù)已比較成熟，并已得到非常廣泛的應(yīng)用。但是．隨著CCD應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其缺點(diǎn)逐漸顯露出來：

(1)CCD光敏單元陣列難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單芯片集成，難以處理一些模擬和數(shù)字電路功能，如模／數(shù)轉(zhuǎn)換、精密放大、存貯、運(yùn)算等。

(2)CCD陣列驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜，使用相對(duì)較高的工作電壓，無法與深亞微米VLSI(大規(guī)模集成電路)技術(shù)兼容。為克服上述缺點(diǎn)，滿足對(duì)小型化、低功耗和低成本成像系統(tǒng)消費(fèi)需求的增加，出現(xiàn)了幾種新的固體圖像傳感技術(shù)，其中，最引人注目且最有發(fā)展?jié)摿Φ氖遣捎脴?biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)的圖像傳感器，即CM0S圖像傳感器。ComplementaryMetalOxideSemiconductorCMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor），中文學(xué)名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶-電）和P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器，CMOS傳感器也可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器（PassivePixelSensorCMOS）與主動(dòng)式像素傳感器（ActivePixelSensorCMOS）光電二極管型CMOS無源像素傳感器（CMOSPPS）的結(jié)構(gòu)自從1967年Weckler首次提出以來實(shí)質(zhì)上一直沒有變化，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它由一個(gè)反向偏置的光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)管開啟時(shí)，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)。當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的