固体成像器件

光电成像器件－－固体成像器件分类能进行光电变换、光电信号存储和扫描输出的器件CCDCMOS与真空光电器件相比1、全固体化，体积小，重量轻，工作电压和功耗低；耐冲击性好，可靠性能好，寿命长。2、基本上不保留残像，无像元烧伤，不受电磁干扰。3、对红外也敏感，Si的光谱响应从0.5-1.1um，CCD可做成红外敏感元件，在军事上可用于红外夜视系统4、像元的尺寸几何位置精度高（优于1μ）可用于精密尺寸测量5、视频信号与计算机接口容易一、电荷耦合器件电荷耦合器件简称为CCD(ChargeCoupledDevices)，是20世纪70年代初开始发展起来的新型半导体器件。从CCD概念提出到商品化的电荷耦合摄像机出现仅仅经历了四年。其所以发展迅速，主要原因是它的应用范围相当广泛。它在数字信息存贮、模拟信号处理以及作为图像传感器等方面都有十分广泛的应用。（一）、CCD工作原理CCD的突出特点在于它以电荷作为信号。CCD的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移。因此，CCD的基本工作原理应是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。

CCD有两种基本类型，一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这种器件称为表面沟道CCD(简称为SCCD)，另一种是电荷包存贮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，这种器件称为体沟道或埋沟道器件(BCCD)。下面以SCCD为主讨论CCD的基本工作原理。1、电荷存贮图为金属－－氧化物－－半导体(MOS)结构图。在栅极未施加偏压时P型半导体中将有均匀的空穴(多数载流子)分布。如果在栅极上加正电压，空穴被推向远离栅极的一边。在绝缘体Si02和半导体的界面附近形成一个缺乏空穴电荷的耗尽区随着栅极上外加电压的提高，耗尽区将进一步向半导体内扩散。绝缘体si02和半导体界面上的电势(为表面势Φs)随之提高，以致于将耗尽区中的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄(约102μm)而电荷浓度很高的反型层，形成时的外加电压称为阈值Vth

反型层的出现说明了栅压达到阈值时，在Si02和P型半导体之间建立了导电沟道。因为反型层电荷是负的，故常称为N型沟道CCD。如果把M0S电容的衬底材料由P型换成N型，偏置电压也反号，则反型层电荷由空穴组成，即为P型沟道CCD。实际上因为材料中缺乏少数载流子，当外加栅压超过阈值时反型层不能立即形成；所以在这短暂时间内耗尽区就更向半导体内延伸，呈深度耗尽状态。深度耗尽状态是CCD的工作状态。这时MOS电容具有存贮电荷的能力。同时，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区。如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，界面势下降，氧化层上的电压降增加。当提供足够的少数载流子时，就建立起新的平衡状态，界面势降低到材料费密能级ΦF

的两倍。对于掺杂为1015／cm3的P型硅半导体，其费密能级为0.3ev。这时耗尽区的压降为0.6ev，其余电压降在氧化层上。图为实际测得的表面势Φs与外加栅压的关系，此时反型层电荷为零。图为出现反型层电荷时，表面势Φs与反型层电荷密度的关系。可以看出它们是成线性关系的。根据上述MOS电容的工作原理，可以用一个简单的液体模型去比拟电荷存贮机构。当电压超过阈值时，就建立了耗尽层势阱，深度与外加电压有关。当出现反型层时，表面电位几乎呈线性下降，类似于液体倒人井中，液面到顶面的深度随之变浅。只是这种势阱不能充满，最后有ΦF的深度2、电荷耦合过t1时刻后，各电极上的电压变为如图(b)所示，第二个电极仍保持为l0v，第三个电极上的电压由2v变到10v，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，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(b)和(c)。为了理解在CCD中势阱及电荷是如何从一个位置移到另一个位置的，取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察。假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其它电极上均加有大于阈值的较低的电压(例如2v)。(a)为零时刻(初始时刻)若此后电极上的电压变为图(d)所示，第二个电极电压由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，深势阱及电荷包向有移动了一个位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。本图结构需要三相时钟脉冲，其波形如图(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦合(传输)方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元地转移。应该指出，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极下。这对于图所示的电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极转移。CCD便不能在外部脉冲作用下正常工作。3、电荷的注入和检测光注入光注入方式，当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子----空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。

电流注入如图所示，由N+扩散散区(称为源扩散区，记为S)和P型衬底形成的二极管是反向偏置的，数字信号或模拟信号通过隔直电容加到S上，用以调制输入二极管的电位，实现电荷注入。输入栅IG加直流φ2下势阱中的电荷量输入栅下沟道电流为电荷的检测(输出方式)在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，但在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路可以将时钟脉冲容性馈入输出的程度尽可能地减小。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。下面对电流输出方式作简单介绍。电流输出电流输出RId电流输出RD（二）CCD的特性参数1．转移效率和转移损失率把一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如t=0时，某电极下的电荷为Q(0)，在时间t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下，若被留下来的电荷为Q(t)，则转移效率为如果转移损失率定义为则转移效率与损失率的关系为N次转移后剩下的电荷为N次转移前后电荷之间的关系为如果线阵列CCD共有n个极板，则总效率为ηn。

引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时钟频率过高，所以表面沟道CCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因此，也称这种技术为“胖零（fatzero）”技术。另外，体内沟道CCD采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。两种频率下电荷转移损失率与“胖零”电荷之间的关系

2．工作频率(1)决定工作频率下限因素少数载流子的平均寿命(2)工作频率的上限从一个电极转移到另一个电极所需的时间工作频率与转移损失率的关系曲线驱动脉冲频率与损失率之间的关系曲线(三)CCD摄像器件用于摄像或像敏的CCD称为电荷耦合摄像器件，又简称为ICCD。它的功能是把二维的光学图像转变成一维视频信号输出。ICCD摄像器件不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其他摄像器件无法比拟的。目前，CCD摄像器件不论在文件复印、传真、零件尺寸的自动测量和文字识别等民用领域，还是在空间遥感遥测、卫星侦察、导弹制导及潜望镜水平扫描摄像机等军事侦察系统中都发挥着重要作用。ICCD有两大类型：线型和面型。对于线型器件，它可以直接接收一维光信息。因为它是一维器件，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，而必须用扫描的方法来得到整个二维图像的视频信号。

N型沟道的三相线阵CCD用于摄像的原理如图所示。

CCD摄像的原理由光敏阵列、转移栅、模拟位移寄存器和输出放大器等单元构成。（1）．单沟道线型ICCD其光敏阵列与转移区——移位寄存器是分开的，移位寄存器被遮挡。ICCD也可用三相时钟脉冲驱动。这种器件在光积分周期里，光敏区在光的作用下产生光生电荷存于由栅极直流电压形成的光敏MOS电容势阱中，当转移脉冲到来时线阵光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到CCD移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位一位地移出器件，形成视频传号。单沟道线型ICCD结构图这种结构的CCD转移次数多，转移效率低，只适用于像敏单元较少的摄像器件。（2）．双沟道线型ICCD它具有两列CCD移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的两边。当转移栅A与B为高电位(对于N沟道器件)时，光积分阵列的信号电荷包同时按箭头方向转移到对应的移位寄存器内，然后在驱动双沟道线型ICCD结构图出。显然，同样像敏单元的双沟道线阵ICCD要比单沟道线阵ICCD的转移次数少一半，它的总转移效率也大大提高。故一般高于256位的线阵ICCD都为双沟道的。脉冲的作用下，分别向右转移，最后以视频信号输2面阵ICCD（1）帧转移图像经物镜成像到光敏区，当光敏区的某一相电极加有适当的偏压时，光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱里。这样就将被摄光学图像变成了光积分电极下的电荷包图像。当光积分周期结束时，加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集到的信号电荷迅速转移到存储区中。然后，依靠加在存储区和水平读出寄存器上的适当脉冲，并由它经输出级输出一帧信息。当第一场读出的同时，第二场信息通过光积分又收集到势阱中。一旦第一场信息被全部读出，第二场信息马上就传送给寄存器，使之连续地读出。这种面阵CCD的特点是结构简单，光敏单元的尺寸可以很小，但光敏面积占总面积的比例小。（2）隔列转移型面阵ICCD(四)ICCD的基本特性1.光电转换特性在ICCD中，电荷包是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光电转换因子可达到99．7％2.光谱响应ICCD接受光的方式有正面光照与背面光照两种不同方式。由于ICCD的正面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射时低。即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及在整个硅－－二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，使光谱响应曲线出现若干个峰与谷，即发生起伏。为此，ICCD常采用背面照射的方法。采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0．4～1．1μm。其平均量子效率为25％。3．噪声和动态范围动态范围由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定。①势阱的最大电荷存储量。②噪声CCD中有以下几种噪声源：电荷注入噪声；电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声和检测时产生的噪声。4．暗电流①耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁。②少数载流子在中性体内的扩散③来自sio2表面引起的暗电流④si-sio2

界面表面引起的暗电流5分辨率分辨率是图像传感器的重要特性。常用光学传递函数(OTF)中的调制传递函数(MTF)来评价。图为宽带光源(白光)与窄带光源照明下某线阵ICCD的MTF曲线。图中横坐标为归一化的空间频率，纵坐标为其模传递函数。(五)CCD摄像机的分类1．依成像色彩划分(1)彩色摄像机适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。因有颜色而使信息量增大．信息量一般认为是黑白摄像机的l0倍；(2)黑白摄像机适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位量或移动时，可选用分辨率高于彩色摄像机的黑白摄像机。

2．按图像信号处理方式划分(1)数字视频(DV)格式的全数字式摄像机：(2)带数字信号处理(DSP)功能的摄像机；(3)模拟式摄像机。4．按摄像机分辨率划分 200万象素 400万象素 800万象素3．按摄像机结构区分(1)普通单机型，镜头需另配;(2)机板型(boardTyPe)摄像机部件和镜头全部在一块印刷线路板上(3)针孔型(pinho1etype)带针孔镜头的微型化摄像机；(4)半球型(dometype)是将摄像机、镜头、防护罩或者还包括云台和解码器组合在一起的紧凑型摄像前端系统，使用方便。

5．按摄像机灵敏度划分(1)普通型正常工作所需照度为(1—3)lx，(2)月光型正常工作所需照度为0．11x左右；(3)星光型正常工作所需照度为0．011x以下(4)红外照明型原则上可以使可见光零照度，6．按靶面大小划分以常规的有：(1)1in靶面尺寸为宽12．7mm×高9．6mm．对角线16mm；(2)2／3in靶面尺寸为宽8．8mm×高6．6mm,

对角线11mm；(3)1／2in靶面尺寸为宽5．4mm×高4．8mm，对角线8mm(4)1／3in靶面尺寸为宽4．8mm×高3．6mm，对角线6mm(5)1／4in靶面尺寸为宽3．2mm×高2.4mm，对角线4mm(6)1／6in靶面尺寸为灾2．7mm×高2．2mm，对角线3.5mm二、CMOS图像传感器到20世纪90年代初，CCD技术已比较成熟，并已得到非常广泛的应用。但是．随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐显露出来：

(1)CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单芯片集成，难以处理一些模拟和数字电路功能，如模／数转换、精密放大、存贮、运算等。

(2)CCD阵列驱动脉冲复杂，使用相对较高的工作电压，无法与深亚微米VLSI(大规模集成电路)技术兼容。为克服上述缺点，满足对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需求的增加，出现了几种新的固体图像传感技术，其中，最引人注目且最有发展潜力的是采用标准CMOS半导体工艺生产的图像传感器，即CM0S图像传感器。ComplementaryMetalOxideSemiconductorCMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor），中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电）和P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器（PassivePixelSensorCMOS）与主动式像素传感器（ActivePixelSensorCMOS）光电二极管型CMOS无源像素传感器（CMOSPPS）的结构自从1967年Weckler首次提出以来实质上一直没有变化，其结构如图所示。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数。当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的