传感器与检测技术 光电式传感器 7-7 CCD图像传感器.pptx

第7章 光电式传感器;7.7 CCD图像传感器;7.7.1 CCD的基本结构和工作原理;根据信号电荷传输通道的不同，CCD分为两种类型： 表面沟道电荷耦合器件（SCCD） 体内沟道或者埋沟道电荷耦合器件（BCCD） 本节以表面沟道P型Si-CCD为例介绍CCD的工作原理。 ; 如果此时有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅吸收光子，产生电子－空穴对，其中的光生电子被附近的势阱吸收，吸收的光生电子数量与势阱附近的光强度成正比：光强度越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。同时，产生的空穴被电场排斥出耗尽区。因此势阱中电子数目的多少可以反映光的强弱和图像的明暗程度，即这种MOS电容器可实现光信号向电荷信号的转变。若给光敏单元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小。势阱中的电子处于被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。 ; （2）电荷的注入 1）光注入 当光信号照射到CCD衬底硅片表面时，在电极附近的半导体内产生电子－空穴对，空穴被排斥入地，少数载流子（电子）则被收集在势阱内，形成信号电荷存储起来。存储电荷的多少与光照强度成正比。如图7.45(a)所示。 2）电注入 CCD通过输入结构（如输入二极管），将信号电压或电流转换为信号电荷，注入势阱中。如图7.45(b)所示，二极管位于输入栅衬底下，当输入栅IG加上宽度为Δt的正脉冲时，输入二极管PN结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入φ1电极下的势阱中，注入电荷量为Q=ID·Δt。 ; （3）电荷转移原理 为了方便进行电荷转移，CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近（间距为15～20μm）的MOS光敏单元，这些光敏单元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。 若两个相邻MOS光敏单元所加的栅压分别为VG1、VG2，且VG1VG2（如图7.46所示）。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。因VG2高，表面形成的负离子多，则表面势Φs2Φs1，电子的静电位能-eΦs2-eΦs10，则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，则1中电子有向2中转移的趋势。若串联很多光敏单元，且使VG1VG2…VGn，可形成一个输运电子的路径，实现电子的转移。; （4）电荷的输出 CCD信号电荷在输出端被读出的方法如图7.48所示。OG为输出栅。它实际上是CCD阵列的末端衬底上制作的一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上形成脉冲电流I0。输出电流的大小与信号电荷的大小成正比，并通过负载电阻RL转换为信号电压U0输出。 ;7.7.2 CCD的特性参数; 3．工作频率 CCD是一种非稳态工作器件，在时钟脉冲的驱动作用下完成信号电荷的转移和输出，因此，其工作频率会受到一些因素的限制，且限于一定的范围内。下面以三相CCD为例说明CCD的工作频率特性。 （1）工作频率的下限。如果时钟脉冲的频率太低，则在电荷存储的时间内，MOS电容器已过渡到稳态，热激发产生的少数载流子将会填满势阱，从而无法进行信号电荷包的存储和转移，所以脉冲电压的工作频率必须在某一个下限之上。这个下限取决于少数载流子的平均寿命τc。对于三相CCD，转移一个栅极的时间为t=T/3（这里的T为时钟脉冲的周期），须满足t≤τc，即CCD的工作频率下限为 可见，寿命τc越长，工作频率的下限越低。少数载流子的寿命与器件的工作温度有关，温度越低，少数载流子的寿命就越长。因此，将CCD置于低温环境下有助于低频工作。 （2）工作频率的上限。由于CCD的栅极有一定的长度，信号电荷在通过栅极时需要一定的时间。若时钟频率太高，则势阱中将有一部分电荷来不及转移到下一个势阱中而使转移效率降低。设转移效率在达到要求时所需的转移时间为τg，则必须使τg≤T/3，即工作频率的上限为  ;7.7.3 CCD图像传感器的分类; 线阵CCD图像传感器有两种基本形式，即单沟道和双沟道线阵图像传感器，其结构如图7.49所示，由感光区和传输区两部分组成。感光区由一列（N个像元数）形状和大小完全相同的光敏单元（光敏二极管）组成，每个光敏单元为MOS电容结构，用透明的低阻多晶硅薄条作为N个MOS电容的共同电极，称为光栅。MOS电容的衬底电极为半导体P型单晶硅，