第5章光电成像技术讲述.ppt

* * * * 第5章：光电成像技术 5.2 CCD 与 CMOS * * 1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。 1969年，美国Bell Lab.的Boyle Smith发明电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)(09年诺贝尔物理奖)。 1976年前后，相继出现灵敏度更高、成本更低的硒像管、硅靶管及CMOS等。 上节回顾 -- §1 光电成像器件的发展 * * CCD图例 * * 本节内容 CCD与CMOS基本组成结构？ CCD的工作过程？重点 电荷的转移 - - 难点 CMOS与CCD之间的相似与不同？重点 * * §2 固体摄像器件 分类： CCD - - 电荷耦合器件(Charge Coupled Device) CMOS - - 互补金属氧化物半导体图像传感器 (Complementary Metel-Oxide Semiconductor) 功能： 把入射到传感器光敏面上的按空间分布的光强信息(可见光、红外辐射等)，转换为按时序串行输出的电信号 —— 视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。 * * 一、CCD基本功能 CCD中是大量的独立的光敏元件排列在一起，每个光敏元件称为像素, 它是图像的基本单位和最小的视觉显示单位； 工作特点——以电荷作为信号 工作过程——信号电荷的产生、存储、转移和检测. * * 二、CCD基本结构 CCD的基本单元是金属-氧化物-半导体(MOS)结构。 Al SiO2 Si 衬底 MOS电容器 在p型或n型的硅单晶衬底上生长一层厚度约 0.12?m 的SiO2薄膜，薄膜上再蒸镀一层金属膜(通常为铝)。经过光刻，将铝膜分割成间距很小的单元。每个铝膜单元作为一个电极，与下面的SiO2层和Si单晶组成MOS结构，如同一个MOS 电容器。MOS电容器可以排成一维形式(线阵)，或二维形式(面阵)。 * * (a)耗尽层 氧化层 电极 VG Vth 在铝膜电极上加上正电压，衬底接负电压，由于电场的感应作用，使 p 型半导体中的电荷分布发生变化。正电荷被排斥而远离 Si 与 SiO2的界面，使得在接近界面的位置上出现耗尽层，如图a所示。 耗尽层的出现使界面处的表面势Es增加 。随着电极上的电压增加，耗尽层加深，表 面势更高。表面势对电子有吸引作用，因而 Es高到一定程度，会将半导体内的电子(少数 载流子)吸引到表面，形成一层极薄(10?3?m )， 但电荷浓度很高的反射层，如图b所示，反射层又称为n沟道。 (b)反射层 氧化层 电极 VG Vth 三、CCD电荷的存储与转移 * * 由于电子出现，使得表面势下降，如果电子继续被吸引过来，使耗尽层变浅，表面势也进一步降低。当表面势降到费米电势的两倍，即：Es = 2EF 时, 相当于电子已填充到最大限度，表面势不再束缚多余电子，而会产生电子的溢出。 表面势越高，即耗尽层越深，则表示能够容纳的电子数越多。电子落入这个区域如同落入井中，因此又把这种由于在电极上加上电压后所形成表面势垒区称为势阱，表面势的大小可作为势阱深度的量度。 三、CCD电荷的存储与转移 * * 如果在某一时刻，势阱中存储了部分电荷，通过改变电极上的电压，使势阱变浅，导致阱内电荷趋于饱和并溢出，就可以实现电荷的转移。 CCD中电荷的转移过程 电荷的转移是通过在电极上施加按一定顺序变化的脉冲驱动电压，导致电荷耦合而实现。 三、CCD电荷的转移 2V 2V 10V 10V 1 2 3 (c) 2V 10V 2V 1 2 3 存有电荷 的势阱 (a) 2V 10-2V 电荷移动 2V 2V 10V 1 2 3 (d) 2V 2V 2V 10V 1 2 3 (e) 2-10V 新势阱 2V 2V 10V 1 2 3 (b) * * 信号检测——就是有效的收集和探测电荷。 R 输出 放大 电荷检测电路 四、CCD信号检测 * * Photodiode — 感光二极管； Shift Register —并行信号寄存器, 用于暂时储存感光后产生的电荷; Transfer Register —串行信号寄 存器，用于暂时储存并行寄存器 的模拟信号并将电荷转移放大； 信号放大器-用于放大微弱电信号; 数摸转换器-将放大的电信号转换 成数字信号。 五、CCD工作原理 Register * * 六. CMOS与CCD器件的比较 CMOS是将信号电荷同步处理，CCD是将信号电荷先转移再处理。 * * 六. CMOS