CCD固体成像器件综述..docVIP

CCD图像传感器 摘 要 电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)自70年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图像传感器，且广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。它是图像采集与数字化的关键器件。CCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和显示。其优点体现在4个方面：1）体积小，重量轻，能耗少，工作电压低，抗冲击与振动，寿命长；2）灵敏度高，噪声低，动态范围大；3）响应速度快，刷新时无残留痕迹，摄像启动快；4）利用VLSI技术生产，象素密度高，尺寸精确，批量生产成本低。 本文先从存储电荷、电荷转移、电荷输出、电荷注入四方面先介绍了CCD的工作原理，然后介绍了CCD图像传感器主要性能参数，之后就不同结构形式CCD图像传感器的结构、工作过程、选择依据进行说明，最后列举了一些线阵CCD摄像器件的实例，并介绍CCD图像传感器的发展趋势。 关键词：CCD图像传感器，CCD性能参数；CCD结构形式 一、CCD的工作原理 CCD不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出特点是以电荷为信号。工作过程主要包括信号电荷的产生、存储、传输和检测。一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行采样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图像显示器或其它信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。 1．CCD电荷存储 CCD是由金属—氧化物—半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）简称MOS构成的密排器件。这种MOS结构，一般是在P型（或N型）Si单晶的衬底上生长一层100~200nm的层，再在层上沉积具有一定形状的金属（一般是金属铝）或掺杂多晶硅电极。其中，“金属”为层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体。MOS光敏元结构图如图1-1所示。 图1-1 MOS光敏元结构 以P型半导体为例。当向栅极加正向偏压（或用光学系统将景物聚焦在器件表面）时，P型硅衬底中多数载流子—空穴被排斥，形成耗尽区，当VG（光强）足够大时，载流子深度耗尽，甚至在半导体表面形成反型层。电子在那势能较低，形成了一个势阱。于是，当附近存在自由电子时，自由电子就会吸引电极下方附近。 这样的MOS电容就有了存储电荷（电子）的能力，势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。 2. CCD电荷转移 为了实现CCD中信号电荷的转移，必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，电荷能相互耦合。根据加在MOS电容上的电压越高产生的势阱越深的原理，通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。CCD中电荷的转移必须按照确定方向，为此，在MOS阵列上所加的各路电压脉冲必须严格满足相位要求，使得任何时刻，势阱的变化总是朝一个方向。 通常把CCD电极分为几组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD内部结构决定。通常有二相、三相、四相CCD。四相CCD与三相、二相器件相比，有利于提高转移效率，能适应更高的时钟频率。图1-2为电荷传输示意图。1-2(a)图是一个三相二位CCD，1-2(b)图给出了加在栅极的电压值，1-2(c)图是在1-2(b)图所示时钟波形驱动下，势阱中电荷的分布图。 1-2 电荷传输示意图 3.CCD电荷输出 CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。其输出端也是由一个二极管（OD）和一个输出栅极（OG）组成。一般在输出栅（OG）和二极管（OD）上外加电压使输出二极管反偏，于是势阱中的电荷包被反偏二极管结电容所收集。当输出二极管上加负载后，可获得输出电压。 图1-3为浮置栅结构输出电路，浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。 图1-3 浮置栅结构输出电路 其中，OG：输出栅，FD：浮置扩散区，R：复位栅，RD：复位漏，T：输出场效应管。 4.CCD电荷注入 CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种。 在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，