光电子技术基础-固体成象器件

固体成像器件固体成像器件电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD）自扫描光电二极管列阵（SelfScannedPhotodiodeArray—SSPD，又名MOS图像传感器）。（1）固体化，体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，寿命长；（2）不保留残像，无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰；（3）对红外也敏感，用于夜视系统等；（4）位置精度高，可用于不接触精密测量；（5）视频信号与微机接口容易，便于图像的后续处理。摄像管的工作原理光学图像投射到光电阴极上，产生相应的光电子发射，在加速电场和聚焦线圈所产生的磁场共同作用下打到靶上，在靶的扫描面形成与图像对应的电位分布最后，通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号。CCD的基本结构特点在p或n型硅单晶衬底上生长一层厚120nm～150nm的SiO2层，再按一定次序沉积n个金属电极作为栅极，栅极间隙2.5μm，电极中心距为15～20μm，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体构成了一个金属-氧化物-半导体结构，即MOS结构.稳态MOS结构的物理性质（1）多子堆积状态VG<0，p型半导体中的空穴堆积在表面。（2）多子耗尽状态VG>0，VG<Vth，电场排斥表面的空穴，表面无空穴。（3）载流子反型状态VG>Vth，氧化物和半导体的界面处电子浓度大于空穴浓度，即形成反型层。这时MOS结构的状态称为强反型状态。CCD的电荷存储原理CCD工作在VG>Vth，但尚未出现强反型的瞬态，属于非稳态器件。CCD栅极施加电压VG时，电极下半导体表面部分的空穴被排斥，形成一可填充负电荷的深势阱（一般称为深耗尽层），而周围热激发的电子进入此耗尽区需要一定时间，如果在此刻以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入信号电荷，这些信号电荷就会聚集于表面附近形成电荷包，这些电荷包就反映了待测信息。CCD的电荷耦合三相CCD将栅极分为三组a、b、c，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。三相波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个电极，每变化一个周期，则转移过三个极板即一组电极。二相CCD对于二相CCD，电压波形每变化T/2，电荷包转移过一个电极，每变化一个周期，则转移过二个电极即一位。CCD具有移位寄存器的功能。电荷的电注入浮置扩散放大器输出：

FloatingDiffusionAmplifier电荷转移效率η和转移损失率ε

转移到下一电极的电荷量Q1和原有电荷量Q0之比，为电荷转移效率没有被转移的电荷量与原有电荷量之比，为转移损失率电荷转移n个电极后的电荷量设为Qn，则总电荷转移效率为考虑二相CCD，其m＝512、n＝2m＝1000。

37%90%工作频率CCD为非稳态器件，具有一定的工作频率。CCD信号电荷的存储时间应小于少数载流子的寿命τ，又应保证最大转移效率（设保证转移效率的最短时间为t2），则对于三相CCD最后，可得到CCD的工作频率范围为光谱特性现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.4～1.15μm左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.65～0.9μm左右。CCD图像传感器的分辨率CCD所能分辨的最小间距就是像元间距。对于线阵CCD器件，若像元间距为15um,则极限分辨率为面阵CCD由于水平方向和垂直方向像元间距不同，故分辨率也不同。电荷耦合摄像器件（CCID）实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，CCD移位寄存器用来完成光生电荷转移输出，形成视频信号。根据光敏象素的排列方式，CCD摄象器件分为一维线阵列和二维面阵列两大类。线阵CCID结构单侧传输线阵CCID双侧传输线阵CCID二维CCID：帧传输结构FrameTransfer二维CCID：行间传输结构InterlineTransfer二维CCID：帧行间传输结构

FrameInterlineTransfer自扫描光电二极管列阵SSPD光电二极管有两种列阵形式。一种为普通二极管列阵，一端连接在一起，另一端各自单独引出，特性与分立光电二极管完全相同，像元数较少，只有几十位，通常称为连续工作方式；另一种就是自扫描光电二极管列阵（SSPD），内部集成了数字移位寄存器，工作方式与普通光电二极管不同，为电荷存储方式。连续工作方式N个光电二极管排成一列，检测一维图像信息。需N+1个引线，位数不能太多，一般用于64位以下。电荷存储工作方式（1）充电准备（2）曝光过程（3）再充电过程，获得视频输出。RL的压降最大值为RL的电流为电荷存储工作方式SSPD中，开关K由时钟信号驱动MOS管实现，所有光电二极管的输出连接在一起组成公共的视频输出线。SSPD的结构原理（1）N位光电二极管（2）N个开关（3）N位数字移位寄存器ＣＭＯＳ图像传感器ＭＯＳ图像传感器退出市场的原因噪声大、感光度低ＣＭＯＳ图像传感器的优点1）在像素内放大信号电荷，不易受噪声的影响；2）各像素的信号利用选择的方式读出，读出的顺序易改变，具有较高的扫描自由度。ＣＭＯＳ与CCD结