第5章光電成像技術(shù)

2023/2/61第5章：光電成像技術(shù)5.2CCD與CMOS2023/2/621965年，氧化鉛管成功代替正析攝像管，廣泛應(yīng)用于彩色電視攝像機(jī)。1969年，美國BellLab.的Boyle&Smith發(fā)明電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)(09年諾貝爾物理獎(jiǎng))。1976年前后，相繼出現(xiàn)靈敏度更高、成本更低的硒像管、硅靶管及CMOS等。上節(jié)回顧--§1光電成像器件的發(fā)展2023/2/63CCD圖例2023/2/64本節(jié)內(nèi)容CCD與CMOS基本組成結(jié)構(gòu)？CCD的工作過程？重點(diǎn)電荷的轉(zhuǎn)移--

難點(diǎn)CMOS與CCD之間的相似與不同？重點(diǎn)2023/2/65§2固體攝像器件

分類：

CCD--電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)

CMOS--互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器(Complementary

Metel-OxideSemiconductor)功能：

把入射到傳感器光敏面上的按空間分布的光強(qiáng)信息(可見光、紅外輻射等)，轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)

——

視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。2023/2/66一、CCD基本功能CCD中是大量的獨(dú)立的光敏元件排列在一起，每個(gè)光敏元件稱為像素,它是圖像的基本單位和最小的視覺顯示單位；工作特點(diǎn)——以電荷作為信號(hào)工作過程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測.2023/2/67二、CCD基本結(jié)構(gòu)

CCD的基本單元是金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)。AlSiO2Si襯底MOS電容器在p型或n型的硅單晶襯底上生長一層厚度約0.12m的SiO2薄膜，薄膜上再蒸鍍一層金屬膜(通常為鋁)。經(jīng)過光刻，將鋁膜分割成間距很小的單元。每個(gè)鋁膜單元作為一個(gè)電極，與下面的SiO2層和Si單晶組成MOS結(jié)構(gòu)，如同一個(gè)MOS

電容器。MOS電容器可以排成一維形式(線陣)，或二維形式(面陣)。2023/2/68(a)耗盡層氧化層電極VG<Vth

在鋁膜電極上加上正電壓，襯底接負(fù)電壓，由于電場的感應(yīng)作用，使p

型半導(dǎo)體中的電荷分布發(fā)生變化。正電荷被排斥而遠(yuǎn)離Si

與

SiO2的界面，使得在接近界面的位置上出現(xiàn)耗盡層，如圖a所示。

耗盡層的出現(xiàn)使界面處的表面勢Es增加。隨著電極上的電壓增加，耗盡層加深，表面勢更高。表面勢對(duì)電子有吸引作用，因而Es高到一定程度，會(huì)將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面，形成一層極薄(103m)，但電荷濃度很高的反射層，如圖b所示，反射層又稱為n溝道。(b)反射層氧化層電極VG<Vth三、CCD電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移2023/2/69

由于電子出現(xiàn)，使得表面勢下降，如果電子繼續(xù)被吸引過來，使耗盡層變淺，表面勢也進(jìn)一步降低。當(dāng)表面勢降到費(fèi)米電勢的兩倍，即：Es=2EF

時(shí),相當(dāng)于電子已填充到最大限度，表面勢不再束縛多余電子，而會(huì)產(chǎn)生電子的溢出。

表面勢越高，即耗盡層越深，則表示能夠容納的電子數(shù)越多。電子落入這個(gè)區(qū)域如同落入井中，因此又把這種由于在電極上加上電壓后所形成表面勢壘區(qū)稱為勢阱，表面勢的大小可作為勢阱深度的量度。三、CCD電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移2023/2/610

如果在某一時(shí)刻，勢阱中存儲(chǔ)了部分電荷，通過改變電極上的電壓，使勢阱變淺，導(dǎo)致阱內(nèi)電荷趨于飽和并溢出，就可以實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程

電荷的轉(zhuǎn)移是通過在電極上施加按一定順序變化的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓，導(dǎo)致電荷耦合而實(shí)現(xiàn)。三、CCD電荷的轉(zhuǎn)移2V2V10V10V123(c)2V10V2V123存有電荷的勢阱(a)2V10-2V電荷移動(dòng)2V2V10V123(d)2V2V2V10V123(e)2-10V新勢阱2V2V10V123(b)2023/2/611信號(hào)檢測——就是有效的收集和探測電荷。R輸出放大電荷檢測電路四、CCD信號(hào)檢測2023/2/612Photodiode—感光二極管；ShiftRegister—并行信號(hào)寄存器,

用于暫時(shí)儲(chǔ)存感光后產(chǎn)生的電荷;TransferRegister—串行信號(hào)寄

存器，用于暫時(shí)儲(chǔ)存并行寄存器的模擬信號(hào)并將電荷轉(zhuǎn)移放大；信號(hào)放大器-用于放大微弱電信號(hào);數(shù)摸轉(zhuǎn)換器-將放大的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。五、CCD工作原理Register2023/2/613六.CMOS與CCD器件的比較

CMOS是將信號(hào)電荷同步處理，CCD是將信號(hào)電荷先轉(zhuǎn)移再處理。2023/2/614六.CMOS與CCD器件的比較

信息讀取方式

CCD存儲(chǔ)的電荷信息需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡單。信息輸出速度CCD需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；CMOS采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。2023/2/615小結(jié)CCD與CMOS基本組成結(jié)構(gòu)均為金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)CCD的工作過程