光電子器件-第六章ccd和cmos

光電子器件_第六章ccd和cmos第一頁，共46頁。1954年投放市場的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單的特點，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機，使彩色廣播電視攝像機的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機。然而，氧化鉛視像管抗強光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿足人們對圖像傳感器日益增長的需要。1970年，美國貝爾電話實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器第二頁，共46頁。

從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式。CCD圖像傳感器不但具有固體器件的所有優(yōu)點，而且它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。而且，它的體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管根本無法達到的。CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實地觀測星球表面的圖像，可以觀察腸、胃耳、鼻、喉等器官內(nèi)部的病變圖像信息，可以觀察人們不能直接觀測的圖像（如放射環(huán)境的圖像，敵方陣地圖像等）。CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。

第三頁，共46頁。6.1.2圖像傳感器的分類

CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動了機器視覺的發(fā)展，促進了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。

圖像傳感器按其工作方式可分為掃描型兩類和直視型。掃描型圖像傳感器件通過電子束掃描或數(shù)字電路的自掃描方式將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號輸出出來。這種代表圖像信息的一維信號稱為視頻信號。視頻信號可通過信號放大和同步控制等處理后，通過相應(yīng)的顯示設(shè)備（如監(jiān)視器）還原成二維光學(xué)圖像信號。

視頻信號的產(chǎn)生、傳輸與還原過程中都要遵守一定的規(guī)則才能保證圖像信息不產(chǎn)生失真，這種規(guī)則稱為制式。第四頁，共46頁。

例如廣播電視系統(tǒng)中遵循的規(guī)則被稱為電視制式。數(shù)字圖像傳輸與處理過程中根據(jù)計算機接口方式的不同也規(guī)定了許多種類的制式。

掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（或稱其為數(shù)字圖像信號），存入計算機系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲、傳輸、顯示及分析等功能。因此，掃描型圖像傳感器的應(yīng)用范圍遠遠超過直視型圖像傳感器的應(yīng)用范圍。直視型圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強。它的工作方式是將入射輻射圖像通過外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場或電磁場的加速與聚焦進行能量的增強，并利用二次電子的發(fā)射作用進行電子倍增，最后將增強的電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。本章主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應(yīng)用問題。

第五頁，共46頁。6.2電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理

6.2.1mos結(jié)構(gòu)特征CCD是一種半導(dǎo)體器件

圖9.7.1MOS電容的結(jié)構(gòu)1．金屬2．絕緣層SiO2上一頁下一頁返回第六頁，共46頁。

CCD的MOS結(jié)構(gòu)P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管

SiO2當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中Ф1極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。第七頁，共46頁。平帶條件下的能帶Ec導(dǎo)帶底能量Ei禁帶中央能級Ef費米能級Ev價帶頂能量平帶條件：當(dāng)MOS電容的極板上無外加電壓時，在理想情況下，半導(dǎo)體從體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶(代表電子的能量)從表面到內(nèi)部是平的。上一頁下一頁返回第八頁，共46頁。加上正電壓MOS電容的能帶

(a)柵壓UG較小時，MOS電容器處于耗盡狀態(tài)。(b)柵壓UG增大到開啟電壓Uth時,半導(dǎo)體表面的費米能級高于禁帶中央能極,半導(dǎo)體表面上的電子層稱為反型層。上一頁下一頁返回第九頁，共46頁。有信號電荷的勢阱當(dāng)MOS電容器柵壓大于開啟電壓UG，周圍電子迅速地聚集到電極下的半導(dǎo)體表面處，形成對于電子的勢阱。

勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱填滿：電子在半導(dǎo)體表面堆積后使平面勢下降。

上一頁下一頁返回第十頁，共46頁。６．2.３電荷耦合原理

6.2.3電荷耦合原理第十一頁，共46頁。

上一頁下一頁返回第十二頁，共46頁。6.2.4CCD的電極結(jié)構(gòu)

1.三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)

第十三頁，共46頁。2.三相電阻海結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)CCD2第十四頁，共46頁。3.三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)

第十五頁，共46頁。4.二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)

第十六頁，共46頁。5.階梯狀氧化物結(jié)構(gòu)

被測物光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)1重疊部分第十七頁，共46頁。6.四相CCD

第十八頁，共46頁。6.2.5轉(zhuǎn)移信道結(jié)構(gòu)

體溝道CCD（BCCD)模擬信號數(shù)字信號第十九頁，共46頁。6.2.6通道的橫向限制

如果電極間距較大，勢阱形狀將發(fā)生彎曲變化，會使信號電荷漏出，外面的電荷也會漏進來。為了限制勢阱的橫向范圍，形成一個高勢能的位壘，將溝道與溝道隔開。目前的橫向限制工藝有溝阻擴散和氧化物臺階法。１、加屏蔽電場：在屏蔽極上施以與柵極極性相反的電壓，以吸收多子，造成多子在耗盡層內(nèi)橫向邊界上的堆積，以限制耗盡層區(qū)的橫向擴展。２、氧化物臺階法：氧化物越厚，表面勢越小，勢阱越淺。使耗盡層以外的氧化層厚度加厚，保證它下面不會深耗盡，自動限制了勢壘的高度３、溝阻擴散法：利用摻雜濃度越高，表面勢越小，勢阱越淺，在同一珊壓下，局部摻雜濃度不同。第二十頁，共46頁。6.2.6.電荷的注入和檢測

（1）光注入Qin=ηqNeoAtc式中：η為材料的量子效率；q為電子電荷量；

Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。

第二十一頁，共46頁。（2）電注入

(1)電流注入法

(2)電壓注入法

如圖（a）所示為電流注入法結(jié)構(gòu)如圖（b）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)第二十二頁，共46頁。（3）電荷的檢測(輸出方式)輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS的關(guān)系Qs=Iddt

第二十三頁，共46頁。6.4CCD的特性參數(shù)

（1）電荷轉(zhuǎn)移效率η和電荷轉(zhuǎn)移損失率ε電荷轉(zhuǎn)移效率為

電荷轉(zhuǎn)移損失率為

電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為

第二十四頁，共46頁。（2）驅(qū)動頻率

①驅(qū)動頻率的下限電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所用的時間t，少數(shù)載流子的平均壽命為τi

則

②驅(qū)動頻率的上限電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的固有時間為τg

則

第二十五頁，共46頁。第二十六頁，共46頁。

6.5電荷耦合成像器件

6.5.1CCD線列圖像器件

線型器件，它可以直接將接收到的一維光信息轉(zhuǎn)換成時序的電信號輸出，獲得一維的圖像信號。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號，必須使線陣CCD與二維圖像作相對的掃描運動，所以用線陣CCD對勻速運動物體進行掃描成像是非常方便的。

1－CCD轉(zhuǎn)移寄存器2－轉(zhuǎn)移控制柵3－積蓄控制電極4—光敏區(qū)SH—轉(zhuǎn)移控制柵輸入端RS—復(fù)位控制VOD—漏極輸出OS—圖像信號輸出OG—輸出控制柵線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回第二十七頁，共46頁。線型CCD圖像傳感器工作過程

線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。第二十八頁，共46頁。線型CCD攝像器件的兩種基本形式

(1)單溝道線陣CCD

圖8-26所示為三相單溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)圖。第二十九頁，共46頁。(2)雙溝道線陣CCD

圖8-27為雙溝道線陣CCD攝像器件。它具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。第三十頁，共46頁。實用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，就形成了原來光敏信號電荷的順序。(a)(b)線型CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵第三十一頁，共46頁。6.5.2面陣電荷耦合器件成像器件（ACCID)(a)x-y選址(b)行選址(c)幀場傳輸式(d)行間傳輸式上一頁下一頁返回第三十二頁，共46頁。(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD

圖8-28為三相面陣幀轉(zhuǎn)移攝像器的原理結(jié)構(gòu)圖。它由成像區(qū)(像敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器等三部分構(gòu)成。第三十三頁，共46頁。(2)行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD

隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)如圖8-29(a)所示。圖8-29（b）是隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的二相注入勢壘器件的像敏單元和寄存器單元的結(jié)構(gòu)圖。第三十四頁，共46頁。(3)線轉(zhuǎn)移型面陣CCD

如圖8-30所示，它與前面兩種轉(zhuǎn)移方式相比，取消了存儲區(qū)，多了一個線尋址電路。第三十五頁，共46頁。６.６CMOS圖像傳感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）圖像傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。CMOS圖像傳感器雖然比CCD出現(xiàn)還早一年，但在相當(dāng)長的時間內(nèi)，由于它存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率（有效像元與總面積之比）低（10%~20%），響應(yīng)速度慢等缺點，因此只能用于圖像質(zhì)量要求較低、尺寸較小的數(shù)碼相機中，如機器人視覺應(yīng)用的場合。

1989年以后，出現(xiàn)了“主動像元”（有源）結(jié)構(gòu)。它不僅有光敏元件和像元尋址開關(guān)，而且還有信號放大和處理等電路，提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴大了動態(tài)范圍，使它的一些性能參數(shù)與CCD圖像傳感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和價格等方面要優(yōu)于CCD圖像傳感器，所以應(yīng)用越來越廣泛。第三十六頁，共46頁。

1.CMOS成像器件的組成

CMOS成像器件的組成原理框圖如圖8-31所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列實際上是光電二極管陣列，它也有線陣和面陣之分。第三十七頁，共46頁。圖像信號的輸出過程可由下圖圖像傳感器陣列原理圖更清楚地說明。

第三十八頁，共46頁。2.CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu)

這種器件的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動像敏單元結(jié)構(gòu)和主動像敏單元結(jié)構(gòu)。前者只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分，如圖8-33所示。其中像敏單元的圖像信號的讀出時序如圖8-34所示。第三十九頁，共46頁。

主動式像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路如圖所示。從圖可以看出，場效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號。

圖中所示為上述過程的時序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進行積分；

場效應(yīng)管V2：源極跟隨放大器，進行電流放大，

積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號輸出。第四十頁，共46頁。６.７、CMOS與CCD圖像傳感器性能比較從技術(shù)的角度來比較兩者主要存在的區(qū)別（a）信息讀取方式不同

（b）速度有所差別

（c）電源及耗電量

（d）成像質(zhì)量

（e）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)）

抗輻射性、成本、集成度等方面：

第四十一頁，共46頁。性能指標(biāo)CMOS圖像傳感器CCD圖像傳感器暗