CCD傳感器及其應(yīng)用

一、引言
圖像傳感器是利用光電器件的光一電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“圖像”的一種功能器件。
固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元與移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡稱為“像素”或“像點(diǎn)”，它們本身在空間上、電氣上是彼此獨(dú)立的。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布。然后利用移位寄存器的功能將這些電荷包在時(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時(shí)序脈沖序列。

固態(tài)圖像傳感器與普通的圖像傳感器比，具有體積小、失真小、靈敏度高、抗振動(dòng)、耐潮濕、成本低的特點(diǎn)。這些特色決定了它可以廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其是適用于圖像識(shí)別技術(shù)中。本文從分析固態(tài)圖像傳感器的原理出發(fā)，著重對(duì)它在測(cè)控及圖像識(shí)別領(lǐng)域進(jìn)行分析和探討。

二、電荷禍合器件及工作原理
電荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices，簡稱CCD)，是固態(tài)圖像傳感器的敏感器件，與普通的MOS,TTL等電路一樣，屬于一種集成電路，但CCD具有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等多種獨(dú)特功能。
電荷禍合器件CCD的基本原理是在一系列MOS電容器金屬電極上，加以適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢(shì)阱”的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)電荷(少數(shù)載流子)的轉(zhuǎn)移。如果所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷是由光像照射產(chǎn)生的，則CCD具備圖像傳感器的功能;若所轉(zhuǎn)移的電荷通過外界注入方式得到的，則CCD還可以具備延時(shí)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及邏輯運(yùn)算等功能。
電荷禍合器件CCD的基本原理與金屬一氧化物一硅(MOS)電容器的物理機(jī)理密切相關(guān)。因此。首先分析MOS電容器原理。
圖1是熱氧化P型Si(p-Si)襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只MOS電容器，若在某一時(shí)刻給它的金屬電極加上正向電壓咋，p-Si中的多數(shù)載流子(此時(shí)是空穴)便會(huì)受到排斥，于是，在Si表面處就會(huì)形成一個(gè)耗盡區(qū)。這個(gè)耗盡區(qū)與普通的pn結(jié)一樣，同樣也是電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)。并且，在一定條件下，凡越大，耗盡層就越深。這時(shí)，Si表面吸收少數(shù)載流子(此時(shí)是電子)的勢(shì)(即表面勢(shì)V;)也就越大。顯而易見，這時(shí)的MOS電容器所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。據(jù)此，恰好可以利用“表面勢(shì)阱”(簡稱勢(shì)阱)這一形象比喻來說明MOS電容器在V;(或說在玲)作用下存儲(chǔ)(信號(hào))電荷的能力。習(xí)慣上，把勢(shì)阱想象作一個(gè)桶，把少數(shù)載流子(信號(hào)電荷)想象成盛在桶底上的流體。在分析固態(tài)器件時(shí)，常常取半導(dǎo)體襯底內(nèi)的電位為零，所以，取表面勢(shì)環(huán)的正值增方向朝下更方便(圖1(b))。

圖3 MOS電容器及其表面勢(shì)阱概念

表面勢(shì)V;是一個(gè)非常重要的物理量。在圖1Ca)所示的情況下，若所加Vc不超過某限定值時(shí)，則表面勢(shì)為:

上式是由半導(dǎo)體內(nèi)電位分布的泊松方程求解得到的。因?yàn)閄a是受VG控制的，所以V;也是Vc的函數(shù)。

CD的電荷(少數(shù)載流子)的產(chǎn)生有兩種方式:電壓信號(hào)注入和光信號(hào)注入。作為圖像傳感器，CCD接收的是光信號(hào)，即光信號(hào)注入法。當(dāng)光信號(hào)照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。這時(shí)在柵極電壓的作用下，多數(shù)載流子(空穴)將流入襯底，而少數(shù)載流子(電子)則被收集在勢(shì)阱中，形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來。
這樣高于半導(dǎo)體禁帶寬度的那些光子，就能建立起正比于光強(qiáng)的存儲(chǔ)電荷。
由許多個(gè)MOS電容器排列而成的CCD，在光像照射下產(chǎn)生光生載流子的信號(hào)電荷，再使其具備轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的自掃描功能，即構(gòu)成固態(tài)圖像傳感器。
圖2是光導(dǎo)攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理比較。圖2ta)中，當(dāng)入射光像信號(hào)照射到攝像管中間電極表面時(shí)，其上將產(chǎn)生與各點(diǎn)照射光量成比例的電位分布，若用電子束掃描中間電極，負(fù)載Rl上會(huì)產(chǎn)生變化的放電電流。由于光量不同而使負(fù)載電流發(fā)生變化，這恰是所需的輸出電信號(hào)。所用電子束的偏轉(zhuǎn)或集束，是由磁場或電場控制實(shí)現(xiàn)的。

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圖2 光導(dǎo)攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理比較

圖2(b)所示的固態(tài)圖像傳感器的輸出信號(hào)的產(chǎn)生，不需外加掃描電子束，它可以直接由自掃描半導(dǎo)體襯底上諸像素而獲得。這樣的輸出電信號(hào)與其相應(yīng)的像素的位置對(duì)應(yīng)，無疑是更準(zhǔn)確些，且再生圖像失真度極小。顯然，光導(dǎo)攝像管等圖像傳感器，由于掃描電子束偏轉(zhuǎn)畸變或聚焦變化等原因所引起的再生圖像的失真，往往是很難避免的。
失真度極小的固態(tài)圖像傳感器，非常適合測(cè)試技術(shù)及圖像識(shí)別技術(shù)。此外，固態(tài)圖像傳感器與攝像管比，還有體積小、重量輕、堅(jiān)固耐用、抗沖擊、耐震動(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)以及耗電少等許多優(yōu)點(diǎn)，并且固態(tài)圖像傳感器的成本也較低。

三、固態(tài)傳感器分類、結(jié)構(gòu)及特性
從使用觀點(diǎn)，可將固態(tài)圖像傳感器分為線型和面型固態(tài)圖像傳感器兩類。根據(jù)所用的敏感器件不同，又可分為CCD,MOS線型傳感器以及CCD,MOS面型傳感器等線型固態(tài)圖像傳感器主要用于測(cè)試、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面，面型固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展方向主要用作磁帶錄像的小型照相機(jī)。本文主要介紹工程測(cè)試中常用到的線型固態(tài)圖像傳感器結(jié)構(gòu)。
圖3所示為線型固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)。其感光部是光敏二極管線陣列，1728個(gè)PD作為感光像素位于傳感器中央，兩側(cè)設(shè)置CCD轉(zhuǎn)換寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇數(shù)號(hào)位的PD的信號(hào)電荷移往下側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器;偶數(shù)號(hào)位則移往上側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器。以另外的信號(hào)驅(qū)動(dòng)CCD轉(zhuǎn)移寄存器，把信電荷經(jīng)公共輸出端，從光敏二極管PD上依次讀出。

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圖3 線型固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)

通常把感光部分的光敏二極管作成MOS形式，電極用多晶硅，多晶硅薄膜雖能透過光像。但是，它對(duì)藍(lán)色光卻有強(qiáng)烈的吸收作用，特別以熒光燈作光源應(yīng)用時(shí)，傳感器的藍(lán)光波譜響應(yīng)將變得極差。為了改善一情況，可在多晶硅電極上開設(shè)光窗。由于這種構(gòu)造的傳感器的光生信號(hào)電荷是在MOS電容器內(nèi)生成、積蓄的，所以容量加大，動(dòng)態(tài)范圍也因此而大為擴(kuò)展。圖5是它的光譜響應(yīng)特性。圖中虛線表示只用多晶硅電極而未開設(shè)光窗的CCD的傳感器特性;實(shí)線表示開設(shè)光窗形成的PD，信號(hào)電荷在MOS容器內(nèi)積蓄的CCD傳感器特性，顯然，后者的藍(lán)色光譜響應(yīng)特性得到明顯提高和改善，故稱后者為高靈敏度線型固態(tài)圖像傳感器。

圖5 高靈敏度傳感器

固態(tài)圖像傳感器主要特性有:
①.調(diào)制傳遞函數(shù)MTF特性:固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應(yīng)轉(zhuǎn)移部分組成的。固態(tài)的像素盡管己做得很小，并且其間隔也很微小，但是，這仍然是識(shí)別微小圖像或再現(xiàn)圖像細(xì)微部分的主要障礙。
②.輸出飽和特性:當(dāng)飽和曝光量以上的強(qiáng)光像照射到圖像傳感器上時(shí)，傳感器的輸出電壓將出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象稱為輸出飽和特性。產(chǎn)生輸出飽和現(xiàn)象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產(chǎn)生與積蓄一定極限的光生信號(hào)電荷所致。;*
③.暗輸出特性:暗輸出又稱無照輸出，系指無光像信號(hào)照射時(shí)，傳感器仍有微小輸出的特性，輸出來源于暗〔無照)電流。
④.靈敏度:單位輻射照度產(chǎn)生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度，它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關(guān)。
⑥.彌散:飽和曝光量以上的過亮光像會(huì)在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過飽和信號(hào)電荷，這時(shí)，過飽和電荷便會(huì)從一個(gè)像素的勢(shì)阱經(jīng)過襯底擴(kuò)散到相鄰像素的勢(shì)阱。這樣，再生圖像上不應(yīng)該呈現(xiàn)某種亮度的地方反而呈現(xiàn)出亮度，這種情況稱為彌散現(xiàn)象。
⑥.殘像:對(duì)某像素掃描并讀出其信號(hào)電荷之后，下一次掃描后讀出信號(hào)仍受上次遺留信號(hào)電荷影響的現(xiàn)象叫殘像。