CCD图像传感器详解模板

CCD图像传感器

CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD作图象探测元件。

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工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。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。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。 一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理

CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2 上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。

当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

金属 氧化物

电子

少数载流子耗尽区 PSi

静电位能

表面势

势阱 （b） 信号电荷

（a）

图1 CCD结构和工作原理图

(a)用作少数载流子贮存单元的MOS电容器剖面图 (b)有信号电荷的势阱，图上用阱底的液体代表

总之，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。 二．电荷的转移与传输

CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器，它的表面由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。由上面讨论可知，MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。制造时将MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”。认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2μm），在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。

为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理。 1.三相CCD传输原理

简单的三相CCD结构如图2所示。每一级也叫一个像元，有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极（如1、4、7??，2、5、8??，3、6、9??）都接在一起，由3个相

0

位相差120 的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动，故称三相CCD，图2（a）为断面图；图（b）为俯视图；图（d）给出了三相时钟之间的变化。在时刻t1,第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。这时第一组电极1、4、7??下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图（c）所示。在t2时刻φ1电压线性减少，φ2为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（2、5、8??）电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到t3时刻，φ2为高压，φ1、φ3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3，然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级（一个像元），依次类推，信号电荷一直由电极1、2、3??N向右移，直到输出。

(a)

t1 t2 t3

(c)

t1 t2 t3 t4

图2 三相CCD传输原理图

(b)

(d)

2．二相CCD传输原理

CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD 中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非对称势阱.但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱,从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD中多采用二相结构.实现二相驱动的方案有: 阶梯氧化层电极

阶梯氧化层电极结构参见图3。由图可见,此结构中将一个电极分成二部分,其左边部分电极下的氧化层比右边的厚,则在同一电压下,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用.

设置势垒注入区(图4)

对于给定的栅压, 位阱深度是掺杂浓度的函数.掺杂浓度高,则位阱浅.采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅,任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。

（a）结构示意； (b)驱动脉冲

图3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构 图4采用势垒注入区形成二相结构 三．电荷读出方法

CCD的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法.

图5(a)是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管,当二极管加反向偏置时,在PN结区产生耗尽层。当信号电荷通过输出栅OG转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出。输出电流的大小与信息电荷大小成正比,并通过负载电阻RL变为信号电压U0输出.

φ2 φSiO2 3 φ1 φ2 φ3 OG I0 U0 RL P Si Uβ (a) φ3 OG φR RD SiO2 浮置扩散结 P Si UR RD OD φR A OG OS lok RLUO OSMOS输出管 OD （b） 图5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

图5(b)是一种浮置栅MOS放大器读取信息电荷的方法.MOS放大器实际是一个源极跟随器,其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制,所以源极输出随信号电荷变化.为了接收下一个“电荷包”的到来,必须将浮置栅的电压恢复到初始状态,故在MOS输出管栅极上加一个MOS复位管。在复位管栅极上加复位脉冲φR,使复位管开启,将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位.

图5(c)为输出级原理电路,由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管,可使栅极等效电容C很小。如果电荷包的电荷为Q,A点等效电容为C,输出电压为U0，A点的电位变化△U=－Q,因而可以得到比较大的输出信号,起到放大器的作用,称为浮置栅MOS放大器电压法。 C实验仪器简介:

一、CCD多功能实验仪

CCD多功能实验仪外形如图6所示。它的核心是一块TCD 1206UD CCD芯片，配以外围电路，以产生使 CCD正常工作所需的各路驱动脉冲。仪器内部已连接好，仪器面板的右部是各路脉冲的外接线柱，方便学生对这些脉冲进行测试。面板上的积分时间设置有1—16档，显示窗显示数字大于16的设置无效。频率设置为0—3档。为减少因误操作而引起的CCD器件损坏，仪器左前方有一个CCD上电接钮，打开实验仪开关时CCD上电按钮是不亮的，此时CCD没有接通电源，可以通过CCD实验仪上面的接线柱测量CCD的各路驱动脉冲。按动CCD上电按钮使之变亮，则CCD电源接通，可观测CCD的输出信号。实验仪后部有一个DB9数据接口，可将CCD的输出信号与同步脉冲与其它数据处理设备连接。

图6 CCD多功能实验仪外形图

图7为TCD 1206UD的结构示意图，它为一双通道二相驱动的线阵CCD器件，共有2160个光敏元。奇数光敏元与其中一列移位寄存器相连，偶数光敏元与另一列移位寄存器相连。移位寄存器的像元数量与光敏光相同，相邻像元中的一个与光敏元相连，并接?1脉冲，另一个不直接与光敏元连接，接?2脉冲，如图4所示。

图8为各路脉冲的波形图。

SH信号加在转移栅上。当SH为高电平时，正值φ1为高电平。移位寄存器中的所有φ1电极下均形成深势阱，同时SH的高电平使光敏元MOS电容存储势阱与φ1电极下的深势阱沟通，光敏MOS电容中的信号电荷包迅速向上下两列移位寄存器中与φ1连接的MOS电容转移。SH为低电平时，光敏元与移位寄存器的连接中断，此时光敏元在外界光照作用下产生与光照对应的电荷，而移位寄存器中的信号电荷在φ1φ2时钟脉冲作用下由右向左转移，在输出端将上下两列信号按原光敏元采集的顺序合为一列后，由输出端输出。

电源

光敏元

（补偿输出）

图7 TCD1206UD结构示意

由于结构上的安排，输出电路首先输出13个虚设单元的暗信号，再输出51个暗信号，接着输出2160个有效信号，之后再输出10个暗电流信号，接下去输出两个奇偶检测信号，然后可输出多余的暗电流信号。由于该器件为双列并行传输的器件，所以在一个

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