第4章像探测器探析

第4章像探测器第4章像探测器光电成像概论真空摄像管自扫描光电二极管阵列CCD摄像器件电荷注入器件CID固体图像传感器的主要特性参数习题与思考题第4章像探测器4.1光电成像概论图像是通过视觉感受到的一种信息，是人类获取信息的一个重要方面。图像探测器作为视觉信号获取的基本器件，在现代社会生活中得到了越来越广泛的应用。第4章像探测器图4.1-1电视摄像管第4章像探测器图4.1-2图像各部分顺序传送过程第4章像探测器同电子束摄像管比较，固体像探测器有以下显著优点：全固体化、体积很小、重量轻、工作电压和功耗都很低；耐冲击性好、可靠性高、寿命长。基本不保留残像(电子束摄像管有15%~20%的残像)，无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。红外敏感性。像元的几何位置精度高(优于1

μm)，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。视频信号与微机接口容易。第4章像探测器4.2

真 空

摄

像

管图4.2-1是具有存储器的摄像装置的原理示意图。与每一个光电管串接的电容器就起着存储器的作用。第4章像探测器图4.2-1摄像器件原理示意图第4章像探测器摄像器件一般应包括以下三个部分：光电变换元件:把像素上的光通量转变成光电流。光电流的存储元件：将光电流以电荷的形式存储起来，并转变成与像素光通量对应的电位。扫描读取装置：依次读出存储器上电位起伏变化的信息。第4章像探测器4.2.1光电导式摄像管光电导式摄像管利用光电导即内光电效应将光学图像转换成电势起伏。当光学图像投射到光电导体靶面时，因各个像素上照度不同而导致电导率差异，从而在靶面上产生电势起伏，再通过扫描电子束读出随电势起伏的视频信号。第4章像探测器1.视像管的结构和工作原理视像管的结构如图4.2-2所示，它主要包括光电导靶和电子枪两大部分，在管外还装有聚焦、偏转和校正线圈。电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极

(第一阳极)和聚焦极组成。聚焦极的电压可调，它与加速极形成的电子透镜起辅助聚焦作用。第4章像探测器图4.2-2视像管结构示意图(a)管子结构；(b)靶结构第4章像探测器图4.2-3视像管工作原理图第4章像探测器为了满足信号电荷的存储功能和具有较小的惰性，要求光电导靶满足以下特性：光电导层的电阻率ρ≥1012

Ω·cm；靶的静电电容在600~3000

pF的范围内；光电导材料的禁带宽度为17

eV≤Eg＜2

eV。第4章像探测器2.硅靶视像管硅靶是由大量微小的光电二极管的阵列构成的，其结构如图4.2-4所示。极薄的N型硅片的一面经抛光、氧化而形成一层绝缘良好的二氧化硅(SiO2)膜。第4章像探测器图4.2-4硅靶结构与工作原理(a)结构示意图;(b)原理图第4章像探测器4.2.2光电发射式摄像管1.增强硅靶摄像管增强硅靶摄像管简称“SIT”(Silicon

IntensifiedTarget)管，它是在硅靶视像管的基础上发明的。其结构原理如图4.2-5所示，它将硅靶作为二次电子增益靶(电荷存储元件)，并增加了电子光学移像部分与光电阴极。第4章像探测器图4.2-5

SIT管结构原理示意图第4章像探测器对硅而言，产生每一电子—空穴对，大约需要3.5

eV的能量。若光电子的加速电压为Vp，则电子增益(即靶的倍增系数)G可近似表示为(4.2

-

1)第4章像探测器2.二次电子电导摄像管二次电子电导摄像管简称SEC(SecondaryElectronConduction)摄像管。它也是增强型摄像管，其结构与增强硅靶摄像管类似，主要区别在于靶结构不同，用

SEC靶代替了硅靶。SEC靶采用低密度的二次电子发射性能良好的材料，其结构如图4.2-6所示。第4章像探测器图4.2-6

SEC靶结构示意图第4章像探测器SEC靶的工作原理是：光学图像经移像部分转换成高能的光电子图像，在光电子的轰击下，二次电子导电靶产生大量的二次发射电子，这些电子在低密度的二次电子导电层内运动，部分电子可以达到信号板，于是在靶的扫描面上建立起正的电势图像。当电子束扫描时，因靶面充电而从信号板取出信号。二次电子导电摄像管的灵敏度高并具有长时间积累微弱信号的特点，因此可用于天文仪器、科研设备之中。几种摄像管的特性参数比较见表4.2-1。第4章像探测器表4.2-1几种摄像管的特性参数第4章像探测器4.3自扫描光电二极管阵列4.3.1

SSPD线阵列1.线阵的结构图4.3-1是一种再充电采样的SSPD线阵电路框图。它主要由三部分组成第4章像探测器图4.3-1

SSPD线阵电路框图第4章像探测器N个形状和大小完全相同的光电二极管，每个二极管有相同的存储电容Cd，用半导体集成电路技术在硅片上把它们等间距地排成一条直线，故称为线阵列。N位多路开关，由CMOS场效应晶体管

(FET)(T1~TN)组成，每个FET的源极分别与相应的二极管正极相连，而所有的漏极连在一起，组成视频输出线Vo。N位MOS动态移位寄存器，作扫描电路用。第4章像探测器2.移位寄存器电路图4.3-2(a)是一种典型的四管单元动态移位寄存器电路。其中两相互补时钟φ1、φ2是作为动态电源用的，S是扫描起始信号。这种移位寄存器主要利用MOS场

效应晶体管输入阻抗很大(约为109~1010

Ω)和栅电容能存储电荷的特点构成的。该电路工作波形如图4.3-2(b)所示，其工作原理如下。第4章像探测器图4.3-2普通移位寄存器电路工作原理图(a)一种四管单元动态电路;(b)工作波形第4章像探测器3.电荷存储方式工作原理电荷存储方式的基本原理是：如果把光电二极管的PN结反向偏置到某一固定偏压(一般为几伏)，然后断开电路，那么存储在二极管电容上电荷的衰减速度与入射光照度成正比。下面结合SSPD电路进行分析。第4章像探测器图4.3-3电荷存储方式工作原理图第4章像探测器设tl时刻ei为一负脉冲(见图4.3-3(c))，则Ti导通，偏压电源V通过负载电阻RL和开关Ti使二极管电容Cd很快充电到偏压V，因而在Cd上存储电荷Q=CdV。当ei

的负脉冲结束后，Ti截止，二极管Di和电路断开，Cd上充满的电荷逐渐衰减。在无光照时，光电流IL=0，只有二极管的暗电流ID使电荷Q缓慢泄放。到下次采样脉冲到来时(t2时刻)，Cd上放掉的电荷为Δq0=ID(t2-t1)=IDTint(4.3

-

1)第4章像探测器如果t1~t2期间光强为H(t)，光电流为IL(t)都是时间t的函数，则t1~t2期间光电流放掉的电荷Δq为(4.3

-

2)第4章像探测器4.多相时钟线阵列在研制高位数SSPD器件时，出现了移位寄存器尺

寸难以做得很小的问题。而如果线阵长度太大，由于硅材料的均匀性难以保证，会使器件成品率大大降低。解决这一问题的比较好的方法就是采用多相时钟电路。第4章像探测器图4.3-4四相时钟线阵列电路及工作波形第4章像探测器(1)把奇、偶两组移位寄存器的时钟和S信号合用一组(例如都用φ1、φ2和S驱动)，则得到的两路奇、偶视频信号分开的并行输出信号。(2)两组时钟相同，但第二组(偶数)的起始脉冲信号S2由第一组移位寄存器的EOS输出信号加适当驱动

后代替。第4章像探测器电路有四种工作方式。第一种方式是按顺序依次读取所有4096位二极管的信号。第二种方式是把线阵分为两半，1～2048位和

2049～4096位分别串行读出。第三种方式同第二种方式类似，但线阵的前一半(1～2048)和后一半(2049~4096)同时读出。第四种方案用来获得高达10

MHz的高速采样频率。第4章像探测器图4.3-5六相时钟线阵电路及工作波形第4章像探测器图4.3-5六相时钟线阵电路及工作波形第4章像探测器4.3.2

SSPD面阵列1.再充电采样型面阵列图4.3-6是3×4＝12个像元的MOS型图像探测器面阵原理图，其右下角是一个单元电路。第4章像探测器图4.3-6

3(V)×4(H)MOS型图像探测器面阵框图第4章像探测器图4.3-7

3(V)×4(H)面阵工作波形示意图第4章像探测器2.电压采样型面阵下面以日本冲电气公司的OPA14×41型面阵为例介绍电压采样型阵列，如图4.3-8所示第4章像探测器图4.3-8

OPA14×41型面阵电路及工作波形第4章像探测器图4.3-8

OPA14×41型面阵电路及工作波形第4章像探测器4.4

CCD摄像器件4.4.1

CCD的MOS结构和存储电荷原理CCD是按一定规律排列的MOS电容器阵列组成的移位寄存器，其基本单元的MOS结构如图4.4-1(a)所示。形象地说，Si-SiO2界面处形成了电子势阱，如图4.4-

1(b)所示。第4章像探测器图4.4-1

CCD的MOS结构(a)MOS电容器剖面图;(b)有信号电荷的势阱第4章像探测器仍以P型半导体为例，先讨论在不同偏压下处于稳定态的MOS结构。图4.4-2(a)所示是对栅极加负偏压的情况，电场排斥界面处的电子而吸收空穴，电子在界面处能量增大、能带上弯、空穴浓度增加，形成多数载流子堆积层，这种情况称为表面积累。如在栅极上加一小的正偏压，则界面处电子能量降低、能带下弯，如图4.4-2(b)所示。第4章像探测器图4.4-2不同偏置下理想MOS结构的能带图(a)表面积累;(b)表面耗尽;(c)表面反型第4章像探测器图4.4-3外加栅压为10

V时的MOS结构及能带图(a)结构；(b)势阱中无电荷;(c)势阱中充部分电荷;(d)势阱中充满电荷第4章像探测器下面就φs与VG及表面电荷的关系做一些定量的说

明。根据静电场原理，通过解一维泊松方程，可求出表面势为(4.4

-

3)φs与栅压VG的关系为(4.4

-

4)第4章像探测器考虑到势阱内的信号电荷Qs后，式(4.4-4)变成(4.4

-

5)其中,VFB为平带电压，COX为氧化层电容。第4章像探测器图4.4-4表面势φs与栅压VG的关系曲线(a)SiO2厚度=0.1

μm;(b)受主掺杂浓度nA=10第4章像探测器图4.4-5表面势与电荷的关系第4章像探测器4.4.2电荷转移工作原理与电极结构1.定向转移从上面的讨论可知，外加在MOS电容器上的电压越高，产生的势阱越深；加外电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。第4章像探测器2.电极结构1)三相CCD简单的三相CCD结构如图4.4-6所示。采用成熟的多晶硅淀积和扩散工艺，做成一组结构较简单的“三相电阻海”硅栅CCD，如图4.4-7所示。要使电极间极窄转移沟道封闭，最常见的方法是采用三层多晶硅交叠栅结构，如图4.4-8所示。第4章像探测器图4.4-6三相CCD时钟信号与电荷传输的关系(a)按时序电荷在势阱中传输;(b)时钟电压波形第4章像探测器图4.4-7三相电阻海结构第4章像探测器图4.4-8三相多晶硅交叠栅结构第4章像探测器图4.4–9二相双层电极CCD结构第4章像探测器图4.4-10具有城墙状氧化物结构的二相CCD(a)利用钻蚀槽隔离的结构;(b)利用斜角蒸发的结构第4章像探测器图4.4-11离子注入势垒二相CCD第4章像探测器图4.4-12埋沟CCD的剖面图第4章像探测器图4.4-13埋沟CCD的能带图第4章像探测器图4.4-14

BCCD的结构图第4章像探测器4.4.3电荷注入和读出1.电荷注入方法电荷注入方法有电注入和光注入两种，图像传感器采用光注入，移位寄存器则采用电注入。图4.4-

15(a)所示为背面光注入方法，如果用透明电极，也可以用正面光注入方法。光照激发的电子-空穴对，其少数载流子被收集在势阱中，而多数载流子迁往硅衬底内。收集在势阱中的“电荷包”大小与入射信号大小成正比，使光信号转换为电信号。图4.4-15(b)所示是用输入二极管进行电注入的方法。第4章像探测器图4.4-15电荷注入方法(a)背面光注入；(b)电注入第4章像探测器2.电荷读出方法CCD信号电荷传输到输出端被读出的方法有两种，如图4.4-16(a)、(b)所示。第4章像探测器图4.4-16电荷读出方法(a)输出二极管电流法;(b)浮置栅MOS放大器电压法;(c)输出级原理电路第4章像探测器4.4.4

CCD图像传感器利用CCD的光电转移和电荷转移功能，可制成CCD图像传感器。它有线阵列和面阵列两种结构。1.CCD线阵列CCD线阵列传感器的结构如图4.4-17所示。图4.4-18是一种2048位两相CCD线阵结构示意图。第4章像探测器图4.4-17线阵CCDIS结构示意图(a)单排结构；(b)双排结构第4章像探测器图4.4-18

2048位两相CCD结构示意图第4章像探测器图4.4-19是该两相CCD的驱动脉冲波形及相位关系。加在CCDA和CCDB上的两相时钟脉冲时序不同，前者为φ1、φ2，后者为φ2、φ1，从而保证转移到CCDB的奇数像元的光电荷的时序在前，转移到CCDA的偶数像元的光电荷时序在后，正好错开，合在一起成为按时序输出的串行视频信号。第4章像探测器图4.4-19驱动脉冲波形举例第4章像探测器2.CCD面阵列图4.4-20是CCD面阵图像传感器结构。图4.4-20(b)所示为行间传输方式(Inter

Line

Transfer)CCD结构，其光敏阵列与存储阵列交错排列。第4章像探测器图4.4-20

CCD面阵图像信号传感器结构(a)帧传输面阵；(b)行间传输面阵第4章像探测器4.5

电荷注入器件CID电荷注入器件的光敏单元结构与CCD相似，是两

个靠得很近的小的MOS(或MIS-金属-绝缘体-半导体)电容，每个电容加高电压时均可收集和存储电荷。在适当的电压下，两者之间的电荷又可互相转移，如图4.5-1所示。第4章像探测器图4.5-1

CID的单元结构及读出原理第4章像探测器图4.5-2是一种CID面阵结构示意图。视频线上带有输出管T1和复位管T2。输出管通常接成源随器使用，以减小输出阻抗，同时使视频线与外电路隔离，实际上能起到片上放大器的作用。这里的X相当于上述“行”，而Y为“列”。CID移位寄存器结构与SSPD完全相同，为MOS移位寄存器。第4章像探测器4.6固体图像传感器的主要特性参数4.6.1光谱响应特性SSPD器件具有典型的硅光电二极管的光谱响应特性。一般在0.4

μm<λ<0.9

μm波段内，可近似看作理想的光子探测器。而在λ<0.4

μm或λ>0.9

μm时，由于产生表面吸收和体吸收，量子效率较低，因此光谱响应曲线较理想情况明显下降。第4章像探测器图4.6-1

CCD与PN结构的特性对比(a)

光谱响应特性对比； (b)

器件表面光反射特性对比第4章像探测器4.6.2灵敏度图像传感器的灵敏度标志着器件光敏区的光电转换效率，通常用在一定光谱范围内，单位曝光量下器件输出的电流或电压幅度来表示。器件灵敏度S为(4.6

-

1)第4章像探测器4.6.3暗信号及动态范围1.暗信号SSPD的暗输出信号包括三部分：①积分暗流电流；②由于时钟开关瞬态通过寄生电容耦合进入视频线的固定图形噪声；③热噪声。第4章像探测器2.动态范围DR=图像传感器的动态范围是指输出饱和信号与暗场噪声之比值，是一个随定义不同而变化的参数。对于图4.6-2所示的简单电流放大器输出波形而言，动态范围DR为饱和信号峰值Vos开关瞬态峰值VSw(4.6

-

3)第4章像探测器图4.6–2简单电流放大器输出波形DR=第4章像探测器对于图4.6-3所示的积分、采样保持电路输出波形的情况，动态范围DR定义为饱和信号峰值Vos暗信号的最大差值ΔVd(4.6

-

4)第4章像探测器图4.6–3积分、采样保持电路输出波形第4章像探测器图4.6-4定义暗信号比的视频信号示意图第4章像探测器4.6.4分辨率分辨率有时也称为鉴别率或分解力，是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨率通常有两种表达方式：一种是极限分辨率，另一种是调制传递函数。设调幅波信号的最大值为Amax，最小值为Amin，平均值为A0，振幅为Am，见图4.6-5。则调制度M定义为(4.6

-

6)第4章像探测器图4.6-5调制传递函数(a)调制度的定义；(b)光电列阵对正弦波光强采样第4章像探测器MTF的定义为：在各个空间频率下，图像传感器的输出信号的调制度Mout(ν)与输入光信号调制度Min(ν)的比值：(4.6

-

7)