光电第七章固体成像器件

1、体积小、重量轻、功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长体积小、重量轻、功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长无像元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰无像元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰SSPD的光谱响应范围从的光谱响应范围从0.251.1m，对红外线也敏感，对红外线也敏感 7.1 电荷耦合器件电荷耦合器件7.1.1电荷耦合器件的结构电荷耦合器件的结构像元尺寸精度优于像元尺寸精度优于1m，分辨率高，分辨率高可进行非接触位移测量可进行非接触位移测量基本上不保留残像（真空摄像管有基本上不保留残像（真空摄像管有15%20%的残像的残像视频信号与微机接口容易视频信号与微机接口容易P型或型或N型硅衬底型硅衬底生长一层生长一层12

2、0150nm的的SiO2多个金属电极多个金属电极7.1.2 电荷耦合原理与电极结构电荷耦合原理与电极结构1) MOS的平衡态的平衡态P-SiSiO2电极电极b）耗尽状态）耗尽状态c）反型状态）反型状态 a）平面状态）平面状态U3P-SiU2P-SiU1P-Si2) MOS电容的非平衡态特性电容的非平衡态特性非稳定状态的深度耗尽非稳定状态的深度耗尽-Use价带价带导带导带-Use价带价带导带导带稳定状态的反型层稳定状态的反型层UGUsUsUG10V10V10V10V2V2Vt22）电荷的耦合）电荷的耦合10V10V2V2V2V2Vt14V4V10V10V2V2Vt32V2V10V10V2V2Vt

3、42V2V4V4V10V10Vt52V2V2V2V10V10Vt6t1t2t3t41 12 23 3tttt5UUU三三相相时时钟钟t62SiO2P-Si衬底1tt0t1t2t31 12 2t2 1t0t1t2t32)二相二相CCD的电极结构的电极结构3)除此之外还有四相时控制除此之外还有四相时控制1)三相三相CCD的电极结构的电极结构如前所述如前所述7.1.3 电荷耦合器件的组成及其工作原理电荷耦合器件的组成及其工作原理信号电荷的输入信号电荷的输入（光电转换）（光电转换）电荷转移电荷转移信号输出信号输出CCD的的组成：组成：光电转换器件光电转换器件+CCD（电荷的转移）（电荷的转移）MOS电

4、容电容光敏二极管光敏二极管光光光光敏敏二二极极管管光光电电转转换换光电导体光电导体肖特基势垒肖特基势垒光电二极管光电二极管转移栅转移栅N+Pa1 12 23 3OGOG+P输出栅输出栅IGIG 光栅光栅N光敏元光敏元MOS电电容容光光电电转转换换N+Pa1 12 23 3OGOG+P输出栅输出栅转移栅转移栅IGIG光栅光栅光敏元光敏元光光N+Pa1 12 23 3OGOG+PIGIG光敏元光敏元如前所述如前所述（1）二极管输出机构）二极管输出机构（2）选通积分型输出机构）选通积分型输出机构NPR RUCVFVF1 1VFVF2 2C CR R1 1R RL LG G2 2s+1 12 23 3

5、N+PaOGOG输出栅输出栅7.1.4 *电荷转移沟道类型电荷转移沟道类型表面沟道电荷耦合器件，电荷包存储在半导体与绝缘表面沟道电荷耦合器件，电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面处，并沿界面传输体之间的界面处，并沿界面传输体内沟道或埋沟道电荷耦合器件，电荷包存储在离体内沟道或埋沟道电荷耦合器件，电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输（1）SCCD经经BCCD的信号处理能力大一倍的信号处理能力大一倍（2）BCCD的工作频率上限被大大提高的工作频率上限被大大提高（3）BCCD大大提高了转移效率大大提高了转移效率（4）电

6、荷的存储栅和转移栅刚好相反）电荷的存储栅和转移栅刚好相反（5）SCCD信号电荷是少子，而信号电荷是少子，而BCCD信号电信号电荷是多子荷是多子SCCD制做工艺简单，制做工艺简单，信号处理容量大，很适信号处理容量大，很适合于运行速度要求不高合于运行速度要求不高的场合。的场合。BCCD噪声低，高传输噪声低，高传输效率，可用于低照度下效率，可用于低照度下7.2 电荷耦合器件的分类电荷耦合器件的分类线阵线阵CCD 面阵面阵CCD7.2.1 线阵线阵CCD最简单的线阵最简单的线阵CCD：不适合作摄像不适合作摄像电极遮光电极遮光拖影拖影1三相单边三相单边CCD输出输出12光光栅栅CCDABCABC2转转移

7、移栅栅3光光结构简单，但效率低结构简单，但效率低1输出输出12412PxCCDCCDABCABC2x33结构复杂，结构复杂，但效率高但效率高7.2.2 面阵面阵CCDI2I3I1S1S2S3R1R2R3输出输出 摄像区摄像区（光敏区）（光敏区） 暂存区暂存区（遮光区（遮光区)7.3* CCD摄像机分类摄像机分类黑白黑白CCD彩色彩色CCD微光微光CCD7.3.1 可见光可见光CCD： 黑白黑白CCD、彩色、彩色CCD、微光、微光CCD分类分类：三片式、二片式、单片式：三片式、二片式、单片式三片式的式作原理：三片式的式作原理：采用光学系统将入射光学图像分为红、绿、采用光学系统将入射光学图像分为红

8、、绿、蓝三种顔色图像，然后投射到三片蓝三种顔色图像，然后投射到三片CCD上。上。微光：泛指夜间或低照度下微弱的、甚至不能引起人眼视微光：泛指夜间或低照度下微弱的、甚至不能引起人眼视觉的光。觉的光。两种类型两种类型 增强型增强型（ICCD）像增强器与像增强器与CCD芯芯片耦合模式片耦合模式电子轰击模式（电子轰击模式（E-BCCD）时间延迟积分型时间延迟积分型CCD（TDICCD）三种三种模式模式1）像增强器与）像增强器与CCD芯片耦合模式芯片耦合模式灵敏度高达灵敏度高达2000A/lm光谱响应宽度达光谱响应宽度达2.1m暗电流低达暗电流低达10-16A/cm2可在无月光、无星光的条件下正常工作可

9、在无月光、无星光的条件下正常工作易产生螺旋形畸变易产生螺旋形畸变易产易产生枕生枕形畸形畸变变会有会有强的强的背景背景辐射辐射-通过加长光积分时间来增大信号通过加长光积分时间来增大信号7.3.2 IRCCD-用红外探测器阵列代替可见光用红外探测器阵列代替可见光CCD的光敏无部分，就构成的光敏无部分，就构成焦平面红外阵列（焦平面红外阵列（IRCCD）常用敏感材料：常用敏感材料：PbS和和PbSe阵列、阵列、PtSi阵列、阵列、InSb阵列阵列 HgCdTe阵列、阵列、GaAs/ALGaAs阵列、阵列、 掺杂硅阵列、热释电探测器阵列等掺杂硅阵列、热释电探测器阵列等 7.3.3 X射线射线CCD两类两

10、类直接用直接用CCD像机拍摄像机拍摄X射线图像射线图像用碘化铯晶体进行光转换，再用用碘化铯晶体进行光转换，再用CCD拍摄拍摄7.3.4 紫外紫外CCD利用背堆积利用背堆积利用一些荧光物质进行光转换利用一些荧光物质进行光转换7.4 CCD的性能参数的性能参数7.4.1 电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率和转移损失率%100QQ011nnn0ne)1(QQ总转移效率：总转移效率：转移效率转移效率:损耗率损耗率:7.4.2 光谱响应率和干涉效应光谱响应率和干涉效应正面光照正面光照: 电极电极的多次反射一的多次反射一方面减小了光方面减小了光的透过率，另的透过率，另一方面多次反一方面多次反射光之间的干

11、射光之间的干涉使光谱响应涉使光谱响应曲线出现起伏曲线出现起伏（如（如1所示）所示）背面光照：背面光照：的透过率好，光谱响应曲线与光电二极的透过率好，光谱响应曲线与光电二极管相似管相似(如如2的示）。如果再镀增透膜则可进一步提的示）。如果再镀增透膜则可进一步提高响应率（如高响应率（如3所示）所示）7.4.3 分辨率和调制传递函数分辨率和调制传递函数7.4.4 动态范围动态范围最小照度：受噪声限制最小照度：受噪声限制最大照度：受电荷处理容量的限制最大照度：受电荷处理容量的限制动态范围：输出饱和电压与暗场时噪声的峰值电压之比，好动态范围：输出饱和电压与暗场时噪声的峰值电压之比，好的的CCD这一比值一

12、般在这一比值一般在10005000增大动态范围的方法是减小暗电流增大动态范围的方法是减小暗电流分辨率分辨率:lp/mmp21调制传递函数调制传递函数:MTF= MTF1MTFDMTFT器件结构（像元宽度，间距）所器件结构（像元宽度，间距）所决定的几何决定的几何MTF载流子的横向扩散载流子的横向扩散衰减造成衰减造成由转移效由转移效率决定率决定7.4.5 暗电流和噪声暗电流和噪声暗电流：指在无光注入也无电注入情况下输出的电流。主要由暗电流：指在无光注入也无电注入情况下输出的电流。主要由半导体衬低的热激发、耗尽区里产生半导体衬低的热激发、耗尽区里产生-复合中心的热激发复合中心的热激发（主要（主要的）

13、的）、耗尽区边缘的少子热扩散、耗尽区边缘的少子热扩散CCD的噪声：的噪声：1.散粒噪声散粒噪声在在CCD中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数目总有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下起伏，形电子数目总有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下起伏，形成噪声。成噪声。2.转移噪声转移噪声是由转移损失及界面态俘获引起的，其特点是：是由转移损失及界面态俘获引起的，其特点是：一、积累性一、积累性 二、相关性二、相关性3.热噪声热噪声固体中载流子无规则的热运动引起的固体中载流子无规则的热运动引起的7.6 固体摄像器件（固体摄像器件（CCD）的

14、发展现状和应用）的发展现状和应用发展现状：。发展现状：。CCD成本高、耗电量大说到成本高、耗电量大说到CCD和和CMOS，我自己，我自己都会很头疼，因为他们都太过专业，对于一般用户而言都会很头疼，因为他们都太过专业，对于一般用户而言根本不需知道他们的工作原理，但是为了大家能够读懂根本不需知道他们的工作原理，但是为了大家能够读懂我们要表达的意思，我们还是要从他们的原理说起，请我们要表达的意思，我们还是要从他们的原理说起，请相信我，你会看的懂！相信我，你会看的懂！首先要说的是首先要说的是CCD今后将很有可能被今后将很有可能被CMOS完全取代，完全取代，无论单反（几乎已是无论单反（几乎已是CMOS的

15、天下）还是便携类的天下）还是便携类DC，其原因并不是其原因并不是CMOS画质更好，而是画质更好，而是CMOS够便宜！这够便宜！这是市场的法则，当然归根结底最终还是我们消费者让是市场的法则，当然归根结底最终还是我们消费者让CCD走向了灭亡，因为我相信没人愿意花更多的钱购买走向了灭亡，因为我相信没人愿意花更多的钱购买效果相差无几的效果相差无几的CCD产品。那么产品。那么CCD为什么要比为什么要比CMOS贵呢？贵呢？CCD和和CMOS都是存储由光产生的信号电都是存储由光产生的信号电荷，荷，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由

16、最底端部分输出，再经由依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路。那转换电路。那么这种工作方式又是怎样决定他们的成本呢？么这种工作方式又是怎样决定他们的成本呢？CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可工艺，可以轻易地将周边电路以轻易地将周边电路(如如AGC、CDS、Timing generator、或或DSP等等)集成到传感器芯片中，而集成到传感器芯片中，而CCD则需要放大

17、器等外围则需要放大器等外围成本，另外成本，另外CCD像素传输方式决定了如果有一个像素的通道像素传输方式决定了如果有一个像素的通道坏掉（注意坏掉（注意CCD中的像素有专用的传输通道，因此就算中的像素有专用的传输通道，因此就算CCD像素存在坏点，但若通道完好，仍可继续传输），那么传感像素存在坏点，但若通道完好，仍可继续传输），那么传感器都将无法正常工作，因此一般器都将无法正常工作，因此一般CCD的良率都会很低，而的良率都会很低，而CMOS则没有这个问题，因为每个像素都是独立工作，而良则没有这个问题，因为每个像素都是独立工作，而良率往往是决定成本的重要原因。率往往是决定成本的重要原因。而在功耗控制方

18、面，而在功耗控制方面，CMOS传感器的图像采集方式为主动式，传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到而此外加电压通常需要达到1218V；因此，；因此，CCD传感器除传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加需外加power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平，所以传感器的水平，所以C

19、MOS更为省电。更为省电。 2、CMOS：画质差、像素增更容易：画质差、像素增更容易CMOS传感器的每个传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与含放大器与A/D转换电路转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的传感器的灵敏度（即开口率）要低于灵敏度（即开口率）要低于CCD传感器，因为传感器，因为CCD但单但单独像素上没有单独放大器，尤其在小型传感器上，这种差独像素上没有单独放大器，尤其在小型传感器上，这种

20、差异更加明显。同样由于异更加明显。同样由于CMOS传感器的每个感光二极管都传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的在芯片边缘的CCD传感器相比，其画质自然会有所降低。传感器相比，其画质自然会有所降低。在像素增加方面，在像素增加方面，CMOS有着先天性优势，这应该也不难有着先天性优势，这应该也不难理解，因为上文已经介绍了理解，因为上文已经介绍了CCD的工作原理，其中任何一的工作原理，其中任何一个像素通道

21、坏掉都会影像传感器正常工作，例如我们将个像素通道坏掉都会影像传感器正常工作，例如我们将CCD的的1000W像素提升到像素提升到1500W像素，那么就要意味着像素，那么就要意味着要再保证多出的要再保证多出的500W个像素的通道必须全部能够无一例个像素的通道必须全部能够无一例外的全部正常工作，良品率更为堪忧，而外的全部正常工作，良品率更为堪忧，而CMOS则没有这则没有这种烦恼，因为他非常类似于模块化设计，只要随着制造工种烦恼，因为他非常类似于模块化设计，只要随着制造工艺的增长增加模块就行了，即使在这艺的增长增加模块就行了，即使在这1500W像素值中有像素值中有1-2个坏点，仍然可以照常工作！个坏点，仍然可以照常工作！7.5 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列 7.5.1 光电二极管阵列的结构形式和工作原理光电二极管阵列的结构形式和工作原理图图这种工作方式是一种连续的工作方式，输出电流很小，这种工作方式是一种连续的工作方式，输出电流很小，N位图像传感器至少