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1、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
2、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
3、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。 11.1 电荷耦合图像传感器CCD按电荷转移信道划分有两种基本类型，一是电荷包存 储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称 为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体 表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类 器件称为体沟道或埋沟道器件（简称B
4、CCD）。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。 它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力。在P型硅衬底上生长 一层SiO2,再在 SiO2 层上沉积金属铝作为 栅极构成MOS结构， 它是CCD器件的最小 工作单元。MOS电电容上没加电压时电压时 ，半导导体的能带结带结 构如图图 （a）所示，从界面层层到内部能带带都是一样样的，即所谓谓 平带带条件。 对P型半导体来说，若在金属半导体间加正电压，金 属
5、电极板上就会充上一些正电荷，电极下的P型硅区域内的 多数载流子（空穴）便会受到排斥，留下带负电荷的负离子 ，其中无导电的载流子，这样在硅表面处就会形成一个耗尽 区。与此同时，氧化层与半导体界面处的电动势发生变化，在 耗尽层中电子能量从体内到界面由高向低弯曲，如图b所示。 这时只呈现出一般耗尽状态，耗尽区厚度正比于外加电场；当 栅压增大超过某特征值U th时，能带进一步向下弯曲，以至使 半导体表面处的费米能级高于禁带中央能级，MOS器件处于 深耗尽状态，在相交点与界面之间逐渐形成一个反型层。如图 c所示。把U th称为 MOS管的阈值电压。这时若有信号电荷(电子)注入，则可贮存在深耗尽 区域内，
6、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
7、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。 2、电荷转移工作原理 1）电荷的定向转移若两个相邻MOS 光敏元所加的栅压不同，则栅压高 的形成的势阱深，且浅势阱中的电子有向深势阱中下移 的趋势。当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量 的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电 压高低来调节势阱的深浅，实现电荷的存储和转移。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。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
8、，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
9、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。 三相时钟脉冲驱动的电荷转移 2）三相CCD电极的结构MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3 个相位差120时钟脉冲驱动,如下图所示。在三相结构CCD中,三个电极 组成一个单元,形成一个像素。 三个不同的脉冲驱动电压按 下图(b)的时序提供,以保证形 成空间电荷区的相对时序。设在某时刻t1第一相 处于高电压, 处于低 电压,则在1电极下,形成较 深的势阱,如图(a)所示。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
10、被势阱所收集。势阱所收集的光生电子数量和入射到势阱附近的光强 成正比。此时,在栅压作用下, CCD器件上位于 下 若干互相独立的MOS元就会形成众多相互独立的势 阱。若照射在这些光敏元上是一幅明暗不同的图像,那么这些光敏元就会感生出一幅光照强度相应的光 生电荷图像,一幅光图像就转变成了电图像。为了读出存放在CCD中的电图像,在顺序排列的电极上施加交替变化的三相时钟脉冲驱动电压。CCD电电荷转转移工作原理 3.电荷的注入CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式 得到。 CCD用作光学图像传感器时，信号电荷由光生载流子 得到，即光注入。光注入方式又可分为正面照射式和背面 照射式。 当CCD
11、用作信号处理或存贮器件时，电荷采用电注入 方式，即CCD通过输入结构对信号电压或电流采样，并转 换为信号电荷。常用的输入结构为二极管或几个控制输入 栅来实现电输入。4. 电荷的检测（输出方式 ）CCD的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电 压的输出。目前，CCD的输出方式主要有电流输出、浮 置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出，通常采用的是 浮置栅放大器输出法。浮置扩散输出法的原理如图所示 。输出机构包括输出栅 、输出反偏二极管D、复位管T1 和输 出放大器T2组成。每检测检测 一个电电荷包，在输输出端就得到一个负负脉冲，其 幅度正比于信号电电荷包的大小。不同信号电电荷包的大小转转 换为换为
12、 信号对对脉冲幅度的调调制，即CCD输输出调调幅信号脉冲列 。+导通反偏Ucc复位 电平CCD输出信号具有以下几个特点：1.每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平（约7 8V）上，信号电平在几十至几百mV范围内变化，呈单 极性负向变化。2.输出信号随时间轴，按离散形式出现，每个电荷包对 应着一个像元，中间由复位电平隔离，要准确检测出像元 信号，必须清除复位脉冲干扰。3.输出信号US与CCD输出的电荷量Q成正比，与输出结 电容CS成反比故放大器输输出信号电压为电压为4.禁止CCD输输出端对对地短路。综综上所述，CCD图图像传传感器既具有光电转换电转换 功能， 又具有信号电电荷的存贮贮、转转移和
13、检测检测 功能，它能把一幅 空间间域分布的光学图图像变换变换 成为为一列按时间时间 域分布的离 散的电电信号“图图像”。11.1.2 线阵与面阵CCD图像传感器电荷耦合图像传感器从结构讲可以分为两类，一类 是用于获取线图像的，称为线阵CCD；线阵CCD目前 主要用于产品外部尺寸非接触检测、产品表面质量评 定、传真和光学文字识别技术等方面；另一类用于获 取面图像，称为面阵CCD；面阵CCD主要应用于摄像领域。 1.线阵CCD图像传感器对于线阵CCD，它可以直接接收一维光信息，为了 得到整个二维图像的输出，就必须用扫描的方法来实现 。线阵CCD传感器由光敏区、转移栅、模拟移位寄存 器、偏置电荷电路
14、、输出栅和信号读出（检测）电路等 几部分组成。线阵CCD图像传感器有两种基本形式，即 单沟道线阵CCD图像传感器和双沟道线阵图像传感器。（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产 生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中 ，光像变为电像电荷包。（光积分）（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开， 光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过 移位寄存器并行输出。（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图 像信号积分采集。转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经过 一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号 电荷图像。积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收 集的信号电荷并行地转移
15、到CCD移位寄存器的相应单元中 。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积 分。而已转移到移位寄存器内的上一行信号电荷，通过移 位寄存器串行输出，如此重复上述过程。2.面阵CCD图像传感器 面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，能 检测二维平面图像。由于传输与读出方式不同，面阵图 像传感器有许多类型，常见的传输方式有行传输、帧传 输和行间传输三种。1）行传输（LT）面阵CCD行传输传输 （LT）面阵阵CCD的结结构如图图所示，它由选选 址电电路、感光区、输输出寄存器（即普通结结构的CCD）组组 成。当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行 行地将信号电荷通过输出寄存器转移到输
16、出端。这种 结构的缺点是需要选址电路，结构较复杂，且在电荷 转移过程中，光积分还在进行，会产生“拖影”。2） 帧传输（FT）面阵CCD帧传输（FT）面阵CCD的结构 如右图所示，它是由感光区、暂存 区、输出寄存器组成。感光区和暂 存区分开，感光区在积分时间内， 产生与光像对应的电荷包，在积分 周期结束后，利用时钟脉冲将整帧 信号转移到暂存区。然后，整帧信 号再向下移，进入水平读出移位寄 存器，串行输出。这种结构时钟电 路简单，拖影问题比行传输小。感 光 区暂 存 区读出寄存器3）行间传输图像传感器行间传输图像传感器结构如下图所示，其特点是感光区 和暂存区行与行相间排列，即一列感光单元，一列不透光的 存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控 制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周 期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出 移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向 右移位到输出器件，形成视频信号输出。其优点是不存在拖 影
