第5章光电成像技术

2023/2/61第5章：光电成像技术5.2CCD与CMOS2023/2/621965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。1969年，美国BellLab.的Boyle&Smith发明电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)(09年诺贝尔物理奖)。1976年前后，相继出现灵敏度更高、成本更低的硒像管、硅靶管及CMOS等。上节回顾--§1光电成像器件的发展2023/2/63CCD图例2023/2/64本节内容CCD与CMOS基本组成结构？CCD的工作过程？重点电荷的转移--

难点CMOS与CCD之间的相似与不同？重点2023/2/65§2固体摄像器件

分类：

CCD--电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)

CMOS--互补金属氧化物半导体图像传感器(Complementary

Metel-OxideSemiconductor)功能：

把入射到传感器光敏面上的按空间分布的光强信息(可见光、红外辐射等)，转换为按时序串行输出的电信号

——

视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。2023/2/66一、CCD基本功能CCD中是大量的独立的光敏元件排列在一起，每个光敏元件称为像素,它是图像的基本单位和最小的视觉显示单位；工作特点——以电荷作为信号工作过程——信号电荷的产生、存储、转移和检测.2023/2/67二、CCD基本结构

CCD的基本单元是金属-氧化物-半导体(MOS)结构。AlSiO2Si衬底MOS电容器在p型或n型的硅单晶衬底上生长一层厚度约0.12m的SiO2薄膜，薄膜上再蒸镀一层金属膜(通常为铝)。经过光刻，将铝膜分割成间距很小的单元。每个铝膜单元作为一个电极，与下面的SiO2层和Si单晶组成MOS结构，如同一个MOS

电容器。MOS电容器可以排成一维形式(线阵)，或二维形式(面阵)。2023/2/68(a)耗尽层氧化层电极VG<Vth

在铝膜电极上加上正电压，衬底接负电压，由于电场的感应作用，使p

型半导体中的电荷分布发生变化。正电荷被排斥而远离Si

与

SiO2的界面，使得在接近界面的位置上出现耗尽层，如图a所示。

耗尽层的出现使界面处的表面势Es增加。随着电极上的电压增加，耗尽层加深，表面势更高。表面势对电子有吸引作用，因而Es高到一定程度，会将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄(103m)，但电荷浓度很高的反射层，如图b所示，反射层又称为n沟道。(b)反射层氧化层电极VG<Vth三、CCD电荷的存储与转移2023/2/69

由于电子出现，使得表面势下降，如果电子继续被吸引过来，使耗尽层变浅，表面势也进一步降低。当表面势降到费米电势的两倍，即：Es=2EF

时,相当于电子已填充到最大限度，表面势不再束缚多余电子，而会产生电子的溢出。

表面势越高，即耗尽层越深，则表示能够容纳的电子数越多。电子落入这个区域如同落入井中，因此又把这种由于在电极上加上电压后所形成表面势垒区称为势阱，表面势的大小可作为势阱深度的量度。三、CCD电荷的存储与转移2023/2/610

如果在某一时刻，势阱中存储了部分电荷，通过改变电极上的电压，使势阱变浅，导致阱内电荷趋于饱和并溢出，就可以实现电荷的转移。CCD中电荷的转移过程

电荷的转移是通过在电极上施加按一定顺序变化的脉冲驱动电压，导致电荷耦合而实现。三、CCD电荷的转移2V2V10V10V123(c)2V10V2V123存有电荷的势阱(a)2V10-2V电荷移动2V2V10V123(d)2V2V2V10V123(e)2-10V新势阱2V2V10V123(b)2023/2/611信号检测——就是有效的收集和探测电荷。R输出放大电荷检测电路四、CCD信号检测2023/2/612Photodiode—感光二极管；ShiftRegister—并行信号寄存器,

用于暂时储存感光后产生的电荷;TransferRegister—串行信号寄

存器，用于暂时储存并行寄存器的模拟信号并将电荷转移放大；信号放大器-用于放大微弱电信号;数摸转换器-将放大的电信号转换成数字信号。五、CCD工作原理Register2023/2/613六.CMOS与CCD器件的比较

CMOS是将信号电荷同步处理，CCD是将信号电荷先转移再处理。2023/2/614六.CMOS与CCD器件的比较

信息读取方式

CCD存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，整个电路较为复杂。CMOS经光电转换后直接产生电流(或电压)信号，信号读取十分简单。信息输出速度CCD需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；CMOS采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。2023/2/615小结CCD与CMOS基本组成结构均为金属-氧化物-半导体（MOS）结构CCD的工作过程