固态图像传感器
图2-3 3个时钟脉冲的时序
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t2 时刻， Φ1 的高电平有所下降， Φ2 变为高电平， 而Φ3仍是低电平。这样在电极2下面势阱最深，且和电 极l下面势阱交迭，因此储存在电极1下面势阱中的电荷 逐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电 平无变化，因此扔高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极 3下扩散或漂移。 t3 时刻 Φ1 变为低电平， Φ2 为高电平，这样电极 1 下 面的势阱完全被撤除而成为阱壁，电荷转移到电极 2 下 的势阱内。由于电极 3 下仍是阱壁，因此不能继续前进， 这样便完成了电荷由电极 1下转移到电极2下的一次转移， 如图2-4所示。
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经过多次试验，贝尔实验室的波意耳 （W.S.Boyle)和史密斯（G.E.Smith)于1970年终于解 决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料， 将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号，使得 其高效存储﹑编辑﹑传输都成为可能。由于它有光电 转换﹑信息存储﹑延时和将电信号按顺序传送等功能， 且集成度高﹑功耗低，因此随后得到飞速发展，是图 像采集及数字化处理必不可少的关键器件，广泛应用 于科学﹑教育﹑医学﹑商业﹑工业﹑军事和消费领域。
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内容提要
第一节 概述 第二节 固态图像传感器的分类及其原理 第三节 固态图像传感器的应用
学习目标
掌握固态图像传感器的基本特点和 CCD 传感器的工作原理；熟悉固态图像传感器的 应用。
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一.概述
定义： 固态图像传感器是指在同一块半导体衬底 上，生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成 光电器件，按空间分布的光强信息转换成按时序串行输 出的电信号。是一种集成化、功能化的光电器件。 光敏单元又称为“像素”或“像点”， 不同的光 敏单元在空间上、电气上彼此独立。每个光敏单元将自 身感受到的光强信息转换为电信号，众多的光敏单元一 起工作，即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的 光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电 信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。
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图2-4 完成一次转移的过程
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(3) 输入输出
CCD 的输入实际上是对光信号或电信号进行电荷 取样，并把取样的电荷存储于 CCD 的势阱中，然后在 时钟脉冲的作用下，把这些电荷转移到 CCD 的输出端。 信号的输入有光注入和电注入两种方式。 CCD 作摄像 光敏器件时，其信号电荷由光注入产生。器件受光照射 时，光被半导体吸收，产生电子 - 空穴对，这时少数载 流子被收集到较深的势阱中。光照越强，产生的电子 空穴对越多，势阱中收集的电子也越多；反之亦然。就 是说，势阱中收集的电子电多荷的少反映了光的强弱， 从而可以反映图像的明暗程度，这样就实现了光信号与 电信号之间的转换。
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一个 MOS 光敏单元称为一个像素，通常的 CCD 器 件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列规 则的 MOS 光敏元，即光敏元阵列，然后在光线照射下 产生光生载流子的信号电荷，这一过程称为光电转换， 再使其具备转移信号电荷的自扫描功能，即构成 CCD 固态图像传感器。
如图2-5(a)所示为MOS光敏单元示意图，如2-5(b)所 示为CCD的单元阵列示意图。
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图2-6 单通道线型图像传感器的结构
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为了减少信号电荷在转移过程中的损失，转移的次 数应尽量少，因此，通常采用双通道式固态图像传感器。 双通道式固态图像传感器如图 2-7 所示，有两个移位寄 存器平行地配置在感光区两测。当光生信号电荷积累后， 时钟脉冲接通转移栅。信号电荷就转移到移位寄存器。 奇数光敏单元中的电荷转移到 A寄存器，偶数单元转移 到B寄存器。这样每个电荷包的传输次数减少了一半， 降低了器件的传输损失，也缩短了器件尺寸。
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图2-7 双通道线型图像传感器的结构
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(2) 面阵CCD图像传感器 按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器 排列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器。 按传输方式的不同，面阵CCD图像传感器常用的两种 传输结构为行间传输结构和场传输结构。 如图2-8所示为行间传输面阵CCD结构图。它是由 光敏单元阵列构成的光敏面、垂直移位寄存器、转移 栅和水平移位寄存器组成。光敏单元与垂直寄存单元 相隔排列，即一列感光元件，一列不透光的存储元件， 一一对应，两者之间由转移栅控制，下部是一个水平 读出移位寄存器。
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“CCD是数码相机的电 子眼,它革新了摄影术。 现在光可以被电子化记 录,取代了胶片。这一数 字形式极大地方便了对 图像的处理和发送。无 论是我们大海中深邃之 地,还是宇宙中的遥远之 处,它都能给我们带来水 晶般清晰的影像”。
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1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最初状 态的CCD元件组装的简易拍摄装置。
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CCD图像传感器
D的基本介绍
CCD(Charge Coupled Devices)即电荷耦合器件， 它的发明是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果， 即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生 变化。但是从理论到实践，道路却并不平坦。科学家 遇到的最大挑战在于如何在很短的时间内，将每一个 点上因为光照二产生改变的大量电信号采集并且辨别 出来。
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图2-2 MOS电容器原理结构图
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表面势V是一个非常重要的物理量。在如图2-3所 示的情况下，若所加U不超过某限定值时，则表面势为
qN A Vi Xd 2 s 0
式中 q——电子电荷； N ——单位面积受阻浓度； X ——耗尽层厚度； s ——Si的介电常数； 0 ——真空介电常数。 如果衬底是N型硅，则在电极上加负电压，可达 到同样目的。
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图2-1 CCD芯片的构造
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D的基本原理 (1)MOS的基本结构与原理
CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上， 加以适当的脉冲电压，排斥掉半导体村底内的多数载流 子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷(少数载流 子 ) 的转移。由此可知， CCD 的基本原理与 MOS 电容器 的物理机理密切相关。因此，首先分析MOS电容器的原 理。
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一个完整的CCD器件由光敏单元﹑转移栅﹑移 位寄存器及一些辅助输入﹑输出电路组成。 CCD是 一种新型的MOS型半导体器件，是在N型或P型硅衬 底上生长一薄层二氧化硅，然后在二氧化硅薄层上 依一定次序沉积金属电极，形成规则排列的金属氧 化物（MOS）电容器阵列,再根据不同要求加上输 入输出端，就构成了CCD。如图2-1所示为64位 CCD结构，每个光敏元（像素）对应3个相邻的转 移栅电极1、2、3，所有电极彼此间离得足够近， 以保证硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转 移。
A
d
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(2) 转移栅实行转移的工作原理 下面以三相CCD为例，介绍转移栅实行转移的工作 原理。 如图 2-3 所示为 3 个时钟脉冲的时序图，所有的 1 电 极相连并施加时钟脉冲Φ1，所有的2、3也是如此，并施 加时钟脉冲 Φ 2 、 Φ 3 。这 3 个时钟脉冲在时序上相互交 叠。。 t1 时刻 Φ 1 是高电平，于是在电极 1 下形成势阱，并 将少数载流子 ( 电子 ) 吸引至聚集在 Si — Si02 界面处，而 电极2、3却因为加的是低电平，形象地称为垒起阱壁。 如图 2-1 所示，第 62 、 64 位光敏元受光，而第 1 、 2 、 63 位等单元未受光照。
组成：
物镜 固体图像传感器 固体图像敏感器件 驱动电路 信息处理电路
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工作原理如图1-1所示。 成像 物镜 敏感器件 扫描、移动 驱动电路 脉 冲 信 号 信息处理电路
放大和处理
需要的信号
图1-1 固体图像传感器工作原理图
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二.固态图像传感器的分类及其原理
分类：
从使用观点，可将固态图像分为线型和面型固 、 态两类。线型固态图像传感器主要用于测试、传真 和光学文字识别技术等方面，面型固态图像传感器 的发展方向主要用作磁带录像的小型照相机。根据 所用的敏感器件不同，又可分为 CCD传感器 、CID 传感器、 SSPD 传感器、 CCPD 传感器等。其中， CCD是应用最广泛的一种。
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如图2-2所示为热氧化P型Si衬底上沉积金属而构成 的MOS电容器的单元结构图，若在某一时刻给它的金属 电极加上正向电压U，P-Si中的多数载流子(此时是空穴) 便会受到排斥，于是在Si表面处就会形成一个耗尽区。 这个耗尽区与普通的 PN 结一样．同样也是电离受阻构 成的空间电荷区。并且在一定条件下，U越大，耗尽层 就越深。这时，Si 表面吸收少数载流子( 此时是电子) 的 势(即表面势V)也就越大。显而易见，这时的MOS电容 器所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。据此，恰好 可以利用“表面势阱”(简称势阱)这一形象比喻来说明 MOS电容器在V作用下存储(信号)电荷的能力。
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图2-5 CCD构成图 （a）MOS光敏单元 （b）CCD单元列阵
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D的分类
CCD图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类： 一是线阵 CCD，主要用于一维尺寸的自动检测，如测量 精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵 CCD通过附 加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、图像的 识别。二是面阵CCD，主要用于实时摄像，如生产线上 工件的装配控制、可视电话以及空间遥感遥测、航空摄 影等。
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光敏单元在光积分结束时，在转移栅控制下，电 荷包并行转移至垂直寄存器中暂存，然后每行信号依 次从水平移位寄存器输出。这种器件操作简单，图像 清晰，因此，单片式彩色摄像机大多采用这种器件。
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图2-8 水平移位寄存器