CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的 应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推动了广播电视、工业电视、 医用电视、军用电视、微光与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促 进了公安刑侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。
• 6.1.2 图像传感器的分类 图像传感器按其工作方式可分为扫描型两类和直视型。扫描型图像传感器件
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加上正电压MOS电容的能带
(a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。 (b)栅压UG增大到开启电压 Uth时 ,半导体表面的费米能级
高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。
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有信号电荷的势阱
• 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚 集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。
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6.2.3电荷耦合原理
• ６．2.３ 电荷耦合 原理
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6.2.4 CCD的电极结构 • 1.三相单层铝电极结构
• 2. 三相电阻海结构
光学系统
CCD2
3. 三相交叠硅栅结构
4. 二相硅-铝交叠栅结构
第6章 ccd和cmos成像器件
6.1 图像传感器简介
6.1.1 图像传感器发展历史
完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠 久，种类很多。
早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像 。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图 像。使它的应用受到限制。
•
CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输出方式消除了 电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能 够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制 造成本是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进 入了更为广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的 实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信 息，可以观察人们不能直接观测的图像（如放射环境的图像，敌方阵地图像等）。 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用 研究成为当今高新技术的主流课题。
6.2 电荷耦合器件的结构和工作原理
6.2.1mos结构特征
• CCD是一种半导体器件
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图9.7.1 MOS电容的结构 1．金属 2．绝缘层SiO2
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输入栅
输入二极管
Ф1 Ф2 Ф3
输出栅 输出二极管
SiO2
P型Si
耗尽区
电荷转移方向
CCD的MOS结构
当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽 区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸为电视制式。数字图像传输与处理过程 中根据计算机接口方式的不同也规定了许多种类的制式。
扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号（或称其为数字 图像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、 显示及分析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传 感器的应用范围。
1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍 要求在2 000lx以上。
1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结 构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。
1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩 色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2 英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光 的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。
直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将入射辐射图像 通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强， 并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产 生可见光图像。
本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作 原理和典型应用问题 。
正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。 对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。
平带条件下的能带
Ec导带底能量 Ei禁带中央能级 Ef费米能级 Ev价带顶能量
平带条件： 当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从 体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量)从表面到 内部是平的。
通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输 出出来。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放大 和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信 号。
视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能保证图像信息 不产生失真，这种规则称为制式。
1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅 靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。
1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像 传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器
从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。
• 5. 阶梯状氧化物结构
被测物 重叠部分
光学系统1 光学系统2
CCD2
6. 四相CCD
• 6.2.5转移信道结构
• 体沟道CCD （BCCD)
模拟信号
数字信号
6.2.6 通道的横向限制
如果电极间距较大，势阱形状将发生弯曲变化，会使信号电荷漏出， 外面的电荷也会漏进来。为了限制势阱的横向范围，形成一个高势能的 位垒，将沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散和氧化物台 阶法。 １、加屏蔽电场：