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1、CCD图像传感器,电荷耦合器件,电荷耦合器件(chargeCoupled Devices)简称 CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。,Fig.1贝尔实验室George Smith和Willard Boyle将可视电话和半导体泡存储技术结合发明了CCD原型,Fig.2 现代CCD芯片外观,CCD作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。特别是在摄像领域，作为二维传感器件， CCD与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿命等优点。,广播级电视摄像机中， CCD摄像机可与真空器件摄像机
2、“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面， CCD摄像机则呈现出“一统天下”的趋势。在工业、军事和科学研究等领域中的应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别等方面更呈现出其高分辫力，高准确度，高可靠性等突出优点。,CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景,由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。具不完全统计，1997年1998年仅中国大陆彩色和黑白CCD摄像机的用量就达60-70万台，这些产品大多数来自国外或者由台湾地区和国内
3、组装。从1998年日本出版的技术市场杂志获悉,世界上已把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品.据国外专家统计,1997年CCD世界市场规划为16亿美元,而实际上1997年为50亿美元,1998年为65亿美元.日本松下公司对CCD摄像机的世界市场进行了统计和预测,如表1所示。,一、概述,由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅40多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。,一、概述,CCD摄像机应用领域的发展趋势1、CCD摄像机的应用领域 CCD摄像机应用领域在不断
4、的扩展，应用技术的深化又促进CCD摄像机的多样化产品的生产。总体有MOBILE、PUBLIC、HOME三个方面，其中有：,（1）Camcorder摄录一体化CCD摄像机。（2）TV phone,（3）PC camera到21世纪初叶，随着电脑网络系统的发展，PC Camera作为电脑前端和图像输入系统，CCD摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面，也会很快进入家庭。借助电脑网络，实现音、视频同步远程通讯。到2000年，我国PC机年销量为1056万台，仅按计算机配套率20%估算，PC camera的需求量将为211.2万台。,（4）Door phone随着住宅商品化，各种现代化
5、住宅楼像雨后春笋般拨地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上来，许多住宅可在室内及时地看到来访客人的实时图像和室外局部区域的情况，也为防范坏人入室作案起到有效的监控作用。,（5）Scanner由于计算机网络的普及，所以为了提高各种资料、文字的输入速度，可采用各种扫描仪，读取经过文字识别的资料，可将读入的文字资料转换成文件存入计算机进行编辑，以便在网络上交流。按PC机配套率10%计算，可需线阵和面阵CCD传感器105.6万台。,（6）Bar Code Register（BCR）条形码记录器在各种商业流通领域如商场、仓储连锁店等普遍采用。条形码物品记录识别系统与计算机联网可随时取得各种数据。（7）M
6、edical医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统，可以实现人体显微手术，减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。,（8）Vehicle Camera在各种车辆中加装CCD摄像机可以使驾驶人员借助车内CCD摄像机、车上的后视镜系统和驾驶员前面的显示器，不仅可随时看到车内的情况，而且可在倒车时观察后面的道路情况，在向前行进过程中也能随时看到后方车辆所保持的距离，提高了行车安全。,（9）Closed Circuit Television（CCTV）CCTV是近几年被大家广泛注意的电视监控系统，目前，已发展成为一种新的产业
7、。以CCD摄像机为主要前端传感器，带动了一系列各种配套的主机和配套设备以及传输设备的研制和生产企业。,（11）Personal Data Assistant（PDA）个人数据秘书系统是一种体积小于笔记本的电脑，是功能齐全的计算机系统，可以完成多种数据管理功能，并可借助移动电话上的Internet网进行远程传送资料、发传真等。,（12）Digital Signal Camera（DSC）数码照相机是近两三年投放市场的一种新型照相机。由CCD传感器采集的图像信号经过数字处理后，可被记录在磁卡上，由计算机读取磁卡上的图像数据再现出图像，并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。,1 CCD的物
8、理基础,CCD是基于 MOS(金属氧化物半导体)电容器在非稳态下工作的一种器件。因此，必须了解 MOS电容器的稳态和非稳态工作及其与 CCD的关系。,1.1 稳态下的 MOS电容器 (一)理想 MOS系统,半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为 P型硅衬底和 N型硅衬底。大多数 CCD选用 P型硅衬底。下面以 P型硅衬底 MOS电容器为参照进行说明。,MOS电容器的状态是随栅极电压 VG的变化而不同的。在 VG为零时， Si表面没有电场的作用，其载流子浓度与体内一样。 Si本身呈电中性，电子能量从体内到表面都相等，所以能带是平坦的，不存在表面空间电荷区。这种状态称为 “平带状态”。,1 VG
9、 0的多数载流子积累状态当在金属栅极上加上直流负偏压，即 VG 0时，电场使 Si内一部分可移动空穴集中到 SiSiO2界面，在 Si表面形成多数载流子积累层。这种状态称为“积累状态”。当达到热平衡时， VG的一部分降落在 SiO2层内，其余部分将作用于半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs 0，则-eVs 0，表面处能带向上弯曲，从而导致表面附近的价带中比体内有更多的空穴，使表面呈现强 P型。,为了保持 MOS系统的电中性条件，金属栅极上的负电荷与半导体积累层中的正电荷正好相互补偿。但金属的费米能级与半导体的费米能级并不 相等，即EFM EFS ，其差值正好是 VG与电子电荷的乘积。,2 VG
10、 0的多数载流子耗尽状态 当在栅电极上加上 VG 0的小电压时， P型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在 Si表面处留下一层离化的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”。这种情况相当于 MOS电容器充负电。,该充电区域(空间电荷区)称为耗尽层。此时表面势 VS0，则-e VS0，表面处能带向下弯曲。,3 VGVth0的反型状态 在上述基础上正电压 VG进一多增加，表面处能带相对体内进一步向下弯曲，当 VG超过某一阈值时，将使得表面处电子浓度超过空穴浓度，已由 P型变为 N型。这种情况称之为“反型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导体内部之间还夹有一层耗尽层。,从图中的能带看到
11、，对表面反型层的电子来说，一边是 SiO2绝缘层，它的导带比半导体高许多。另一边是弯曲的导带形成的一个陡坡，其代表由空间电荷区电场形成的势垒。,所以，反型层中的电子实际上是被限制在表面附近能量最低的一个狭窄区域。因此，常称反型层为沟道。 P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所以称为 N沟道。反之， N型半导体称为 P沟道。,u0,10V,10V,UG=5V,UG=10V,UG=15V,空势阱,填充1/3势阱,全满势阱,MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=CoxUGA,二、电荷耦合假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得较低电压（例如2V）。设a
12、图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图bc。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。,a,存有电荷的势阱,b,2V,10V,2V10V,2V,2V,10V,10V,2V,2V,10V2V,10V,2V,2V,2V,10V,2V,c,d,e,f,1,2,3,+5V0V-5V,+5V0V-
13、5V,+5V0V-5V,Time-slice shown in diagram,1.4 Charge Transfer,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,1.4 Charge Transfer,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,1.4 Charge Transfer,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,1.4 Charge Transfer,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,1.4 Charge Transfer,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,Charge packet from subsequent pixel entersfrom left as first pixel exits to the right.,1.4 Charge Transfer,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,1.4 Charge Transfer,
