传感器原理孟立凡蓝金辉cgq11.ppt

第11章 固态图像传感器 11.1 电荷耦合图像传感器 11.2 其它类型的图像传感器 11.3 固态图像传感器的应用 图像传感器又称为成像器件或摄像器件，是现代视觉信息获取的一种基础器件 ，可实现可见光、紫外光、X射线、近红外光等的探测。 因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次、多内容的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。 固态图像传感器是在同一块半导体衬底上布设若干光敏单元与移位寄存器而构成的器件，是一种集成化、功能化的光电器件。 光敏单元又称为“像素”或“像点”， 不同的光敏单元在空间上、电气上彼此独立。 每个光敏单元将自身感受到的光强信息转换为电信号，众多的光敏单元一起工作，即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。 固态图像传感器主要有五种类型：电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）、电荷注入器件CID（Charge Injection Device）、金属－氧化物－半导体(MOS)、电荷引发器件 CPD（Charge Priming Device）和叠层型摄像器件。 11.1.1 CCD的基本工作原理 CCD（Charge Couple Devices，电荷耦合器件）可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到了图象传感器的作用。 突出特点：以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。 基本功能：电荷的存储和电荷的转移。 主要问题：信号电荷的产生、存储、传输和检测。 1.CCD的MOS结构及电荷存贮原理 (1)结构 CCD是MOS（ Metal Oxide Semiconductor ）电容的一种应用，它是按照一定规律排列的MOS电容器阵列组成的移位寄存器。其基本单元的MOS电容结构如下图所示。 MOS电容上没加电压时，半导体的能带结构如图（a）所示，从界面层到内部能带都是一样的，即所谓平带条件。 这时若有信号电荷(电子)注入，则可贮存在深耗尽区域内，这种能贮存电子的区域称为电子“势阱”,势阱具有存储电子（电荷）的功能,每一个加正电压的电极下就是一个势阱。表面势阱中的自由电荷称为电荷包。势阱的深度取决于正电压U的大小,势阱的宽度取决于金属电极的宽度。若U增加，栅极上充的正电荷数目增加， P型硅区域内的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加，表面势阱加深。 (2)电荷存储原理 当一束光照射到MOS电容上时，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量产生电子跃迁，形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。这些光生电荷将储存在电极形成的势阱中，形成信号电荷存储起来。 势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量，它与所加栅压近似成正比。 势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比，于是，图像景物的不同明暗程度，便转变成CCD中积累电荷的多少。 控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，让MOS电容间的排列足够紧密，使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。 为了让信号电荷按规定的方向转移，在MOS电容阵列上加满足一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻，势阱的变化总朝着一个方向。 为了实现这种定向的转移，在 CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同电极称为相线。 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。二相脉冲的两路脉冲相位相差180°，三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为120°及90°。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。 若此时有光线入射到硅片上,在光子的激发下硅片上就会产生电子-空穴对。由于光扩散效应,其中的空穴被排斥到硅基体顶,光生电子则被势阱所收集。势阱所收集的光生电子数量和