第4章 像探測器課件

第4章像探測器4.1光電成像概論4.2真空攝像管4.3自掃描光電二極管陣列4.4CCD攝像器件4.5電荷注入器件CID4.6固體圖像傳感器的主要特性參數(shù)習(xí)題與思考題4.1光電成像概論圖像是通過視覺感受到的一種信息，是人類獲取信息的一個重要方面。圖像探測器作為視覺信號獲取的基本器件，在現(xiàn)代社會生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。圖4.1-1電視攝像管圖4.1-2圖像各部分順序傳送過程同電子束攝像管比較，固體像探測器有以下顯著優(yōu)點：(1)全固體化、體積很小、重量輕、工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好、可靠性高、壽命長。(2)基本不保留殘像(電子束攝像管有15%~20%的殘像)，無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。(3)紅外敏感性。(4)像元的幾何位置精度高(優(yōu)于1μm)，因而可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。(5)視頻信號與微機接口容易。4.2真空攝像管圖4.2-1是具有存儲器的攝像裝置的原理示意圖。與每一個光電管串接的電容器就起著存儲器的作用。圖4.2-1攝像器件原理示意圖攝像器件一般應(yīng)包括以下三個部分：(1)光電變換元件:把像素上的光通量轉(zhuǎn)變成光電流。(2)光電流的存儲元件：將光電流以電荷的形式存儲起來，并轉(zhuǎn)變成與像素光通量對應(yīng)的電位。(3)掃描讀取裝置：依次讀出存儲器上電位起伏變化的信息。4.2.1光電導(dǎo)式攝像管光電導(dǎo)式攝像管利用光電導(dǎo)即內(nèi)光電效應(yīng)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電勢起伏。當光學(xué)圖像投射到光電導(dǎo)體靶面時，因各個像素上照度不同而導(dǎo)致電導(dǎo)率差異，從而在靶面上產(chǎn)生電勢起伏，再通過掃描電子束讀出隨電勢起伏的視頻信號。1.視像管的結(jié)構(gòu)和工作原理視像管的結(jié)構(gòu)如圖4.2-2所示，它主要包括光電導(dǎo)靶和電子槍兩大部分，在管外還裝有聚焦、偏轉(zhuǎn)和校正線圈。電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、加速極(第一陽極)和聚焦極組成。聚焦極的電壓可調(diào)，它與加速極形成的電子透鏡起輔助聚焦作用。圖4.2-2視像管結(jié)構(gòu)示意圖(a)管子結(jié)構(gòu)；(b)靶結(jié)構(gòu)圖4.2-3視像管工作原理圖為了滿足信號電荷的存儲功能和具有較小的惰性，要求光電導(dǎo)靶滿足以下特性：(1)光電導(dǎo)層的電阻率ρ≥1012Ω·cm；(2)靶的靜電電容在600~3000pF的范圍內(nèi)；(3)光電導(dǎo)材料的禁帶寬度為17eV≤Eg＜2eV。2.硅靶視像管硅靶是由大量微小的光電二極管的陣列構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖4.2-4所示。極薄的N型硅片的一面經(jīng)拋光、氧化而形成一層絕緣良好的二氧化硅(SiO2)膜。圖4.2-4硅靶結(jié)構(gòu)與工作原理(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)原理圖4.2.2光電發(fā)射式攝像管1.增強硅靶攝像管增強硅靶攝像管簡稱“SIT”(SiliconIntensifiedTarget)管，它是在硅靶視像管的基礎(chǔ)上發(fā)明的。其結(jié)構(gòu)原理如圖4.2-5所示，它將硅靶作為二次電子增益靶(電荷存儲元件)，并增加了電子光學(xué)移像部分與光電陰極。圖4.2-5SIT管結(jié)構(gòu)原理示意圖對硅而言，產(chǎn)生每一電子—空穴對，大約需要3.5eV的能量。若光電子的加速電壓為Vp，則電子增益(即靶的倍增系數(shù))G可近似表示為(4.2-1)2.二次電子電導(dǎo)攝像管二次電子電導(dǎo)攝像管簡稱SEC(SecondaryElectronConduction)攝像管。它也是增強型攝像管，其結(jié)構(gòu)與增強硅靶攝像管類似，主要區(qū)別在于靶結(jié)構(gòu)不同，用SEC靶代替了硅靶。SEC靶采用低密度的二次電子發(fā)射性能良好的材料，其結(jié)構(gòu)如圖4.2-6所示。圖4.2-6SEC靶結(jié)構(gòu)示意圖SEC靶的工作原理是：光學(xué)圖像經(jīng)移像部分轉(zhuǎn)換成高能的光電子圖像，在光電子的轟擊下，二次電子導(dǎo)電靶產(chǎn)生大量的二次發(fā)射電子，這些電子在低密度的二次電子導(dǎo)電層內(nèi)運動，部分電子可以達到信號板，于是在靶的掃描面上建立起正的電勢圖像。當電子束掃描時，因靶面充電而從信號板取出信號。

二次電子導(dǎo)電攝像管的靈敏度高并具有長時間積累微弱信號的特點，因此可用于天文儀器、科研設(shè)備之中。幾種攝像管的特性參數(shù)比較見表4.2-1。表4.2-1幾種攝像管的特性參數(shù)4.3自掃描光電二極管陣列4.3.1SSPD線陣列1.線陣的結(jié)構(gòu)圖4.3-1是一種再充電采樣的SSPD線陣電路框圖。它主要由三部分組成圖4.3-1SSPD線陣電路框圖(1)N個形狀和大小完全相同的光電二極管，每個二極管有相同的存儲電容Cd，用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)在硅片上把它們等間距地排成一條直線，故稱為線陣列。(2)N位多路開關(guān)，由CMOS場效應(yīng)晶體管(FET)(T1~TN)組成，每個FET的源極分別與相應(yīng)的二極管正極相連，而所有的漏極連在一起，組成視頻輸出線Vo。(3)N位MOS動態(tài)移位寄存器，作掃描電路用。2.移位寄存器電路圖4.3-2(a)是一種典型的四管單元動態(tài)移位寄存器電路。其中兩相互補時鐘φ1、φ2是作為動態(tài)電源用的，S是掃描起始信號。這種移位寄存器主要利用MOS場效應(yīng)晶體管輸入阻抗很大(約為109~1010Ω)和柵電容能存儲電荷的特點構(gòu)成的。該電路工作波形如圖4.3-2(b)所示，其工作原理如下。圖4.3-2普通移位寄存器電路工作原理圖(a)一種四管單元動態(tài)電路;(b)工作波形3.電荷存儲方式工作原理電荷存儲方式的基本原理是：如果把光電二極管的PN結(jié)反向偏置到某一固定偏壓(一般為幾伏)，然后斷開電路，那么存儲在二極管電容上電荷的衰減速度與入射光照度成正比。下面結(jié)合SSPD電路進行分析。圖4.3-3電荷存儲方式工作原理圖設(shè)tl時刻ei為一負脈沖(見圖4.3-3(c))，則Ti導(dǎo)通，偏壓電源V通過負載電阻RL和開關(guān)Ti使二極管電容Cd很快充電到偏壓V，因而在Cd上存儲電荷Q=CdV。當ei的負脈沖結(jié)束后，Ti截止，二極管Di和電路斷開，Cd上充滿的電荷逐漸衰減。在無光照時，光電流IL=0，只有二極管的暗電流ID使電荷Q緩慢泄放。到下次采樣脈沖到來時(t2時刻)，Cd上放掉的電荷為Δq0=ID(t2-t1)=IDTint

(4.3-1)如果t1~t2期間光強為H(t)，光電流為IL(t)都是時間t的函數(shù)，則t1~t2期間光電流放掉的電荷Δq為(4.3-2)4.多相時鐘線陣列在研制高位數(shù)SSPD器件時，出現(xiàn)了移位寄存器尺寸難以做得很小的問題。而如果線陣長度太大，由于硅材料的均勻性難以保證，會使器件成品率大大降低。解決這一問題的比較好的方法就是采用多相時鐘電路。圖4.3-4四相時鐘線陣列電路及工作波形(1)把奇、偶兩組移位寄存器的時鐘和S信號合用一組(例如都用φ1、φ2和S驅(qū)動)，則得到的兩路奇、偶視頻信號分開的并行輸出信號。(2)兩組時鐘相同，但第二組(偶數(shù))的起始脈沖信號S2由第一組移位寄存器的EOS輸出信號加適當驅(qū)動后代替。電路有四種工作方式。(1)第一種方式是按順序依次讀取所有4096位二極管的信號。(2)第二種方式是把線陣分為兩半，1～2048位和2049～4096位分別串行讀出。(3)第三種方式同第二種方式類似，但線陣的前一半(1～2048)和后一半(2049~4096)同時讀出。(4)第四種方案用來獲得高達10MHz的高速采樣頻率。圖4.3-5六相時鐘線陣電路及工作波形圖4.3-5六相時鐘線陣電路及工作波形4.3.2SSPD面陣列1.再充電采樣型面陣列圖4.3-6是3×4＝12個像元的MOS型圖像探測器面陣原理圖，其右下角是一個單元電路。

圖4.3-63(V)×4(H)MOS型圖像探測器面陣框圖圖4.3-73(V)×4(H)面陣工作波形示意圖2.電壓采樣型面陣下面以日本沖電氣公司的OPA14×41型面陣為例介紹電壓采樣型陣列，如圖4.3-8所示圖4.3-8OPA14×41型面陣電路及工作波形圖4.3-8OPA14×41型面陣電路及工作波形圖4.3-9電壓采樣列陣工作原理圖(a)單位電路；(b)預(yù)充電；(c)讀出4.4CCD攝像器件4.4.1CCD的MOS結(jié)構(gòu)和存儲電荷原理CCD是按一定規(guī)律排列的MOS電容器陣列組成的移位寄存器，其基本單元的MOS結(jié)構(gòu)如圖4.4-1(a)所示。形象地說，Si-SiO2界面處形成了電子勢阱，如圖4.4-1(b)所示。圖4.4-1CCD的MOS結(jié)構(gòu)(a)MOS電容器剖面圖;(b)有信號電荷的勢阱仍以P型半導(dǎo)體為例，先討論在不同偏壓下處于穩(wěn)定態(tài)的MOS結(jié)構(gòu)。圖4.4-2(a)所示是對柵極加負偏壓的情況，電場排斥界面處的電子而吸收空穴，電子在界面處能量增大、能帶上彎、空穴濃度增加，形成多數(shù)載流子堆積層，這種情況稱為表面積累。如在柵極上加一小的正偏壓，則界面處電子能量降低、能帶下彎，如圖4.4-2(b)所示。圖4.4-2不同偏置下理想MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖(a)表面積累;(b)表面耗盡;(c)表面反型出現(xiàn)“強反型”的條件為(4.4-1)需要指出的是，MOS電容器達到熱平衡態(tài)的過程需要一定時間，這一時間常數(shù)稱為存儲時間T:(4.4-2)圖4.4-3外加?xùn)艍簽?0V時的MOS結(jié)構(gòu)及能帶圖(a)結(jié)構(gòu)；(b)勢阱中無電荷;(c)勢阱中充部分電荷;(d)勢阱中充滿電荷下面就φs與VG及表面電荷的關(guān)系做一些定量的說明。根據(jù)靜電場原理，通過解一維泊松方程，可求出表面勢為(4.4-3)φs與柵壓VG的關(guān)系為(4.4-4)考慮到勢阱內(nèi)的信號電荷Qs后，式(4.4-4)變成(4.4-5)其中,VFB為平帶電壓，COX為氧化層電容。圖4.4-4表面勢φs與柵壓VG的關(guān)系曲線(a)SiO2厚度=0.1μm;(b)受主摻雜濃度nA=10

圖4.4-5表面勢與電荷的關(guān)系4.4.2電荷轉(zhuǎn)移工作原理與電極結(jié)構(gòu)1.定向轉(zhuǎn)移從上面的討論可知，外加在MOS電容器上的電壓越高，產(chǎn)生的勢阱越深；加外電壓一定，勢阱深度隨勢阱中電荷量的增加而線性下降。2.電極結(jié)構(gòu)1)三相CCD簡單的三相CCD結(jié)構(gòu)如圖4.4-6所示。(1)采用成熟的多晶硅淀積和擴散工藝，做成一組結(jié)構(gòu)較簡單的“三相電阻海”硅柵CCD，如圖4.4-7所示。(2)要使電極間極窄轉(zhuǎn)移溝道封閉，最常見的方法是采用三層多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)，如圖4.4-8所示。圖4.4-6三相CCD時鐘信號與電荷傳輸?shù)年P(guān)系(a)按時序電荷在勢阱中傳輸;(b)時鐘電壓波形圖4.4-7三相電阻海結(jié)構(gòu)圖4.4-8三相多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)2)二相CCD(1)二相對層電極結(jié)構(gòu)：它采用低阻多晶硅作第一層電極，再熱生長一層SiO2，沒有多晶硅覆蓋的柵氧區(qū)厚度將增大。(2)城墻狀氧化物結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)只采用一次金屬化形成電極，同時也能形成勢壘。圖4.4-10所示是用不同工藝流程得到的城墻狀氧化物結(jié)構(gòu)。(3)埋溝CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理:CCD的電荷轉(zhuǎn)移信道有兩種形式，即表面轉(zhuǎn)移信道和體內(nèi)(埋溝)轉(zhuǎn)移信道。圖4.4–9二相雙層電極CCD結(jié)構(gòu)圖4.4-10具有城墻狀氧化物結(jié)構(gòu)的二相CCD(a)利用鉆蝕槽隔離的結(jié)構(gòu);(b)利用斜角蒸發(fā)的結(jié)構(gòu)圖4.4-11離子注入勢壘二相CCD圖4.4-12埋溝CCD的剖面圖圖4.4-13埋溝CCD的能帶圖圖4.4-14BCCD的結(jié)構(gòu)圖4.4.3電荷注入和讀出1.電荷注入方法電荷注入方法有電注入和光注入兩種，圖像傳感器采用光注入，移位寄存器則采用電注入。圖4.4-15(a)所示為背面光注入方法，如果用透明電極，也可以用正面光注入方法。光照激發(fā)的電子-空穴對，其少數(shù)載流子被收集在勢阱中，而多數(shù)載流子遷往硅襯底內(nèi)。收集在勢阱中的“電荷包”大小與入射信號大小成正比，使光信號轉(zhuǎn)換為電信號。圖4.4-15(b)所示是用輸入二極管進行電注入的方法。圖4.4-15電荷注入方法(a)背面光注入；(b)電注入2.電荷讀出方法CCD信號電荷傳輸?shù)捷敵龆吮蛔x出的方法有兩種，如圖4.4-16(a)、(b)所示。圖4.4-16電荷讀出方法(a)輸出二極管電流法;(b)浮置柵MOS放大器電壓法;(c)輸出級原理電路4.4.4CCD圖像傳感器利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移功能，可制成CCD圖像傳感器。它有線陣列和面陣列兩種結(jié)構(gòu)。1.CCD線陣列CCD線陣列傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4.4-17所示。圖4.4-18是一種2048位兩相CCD線陣結(jié)構(gòu)示意圖。圖4.4-17線陣CCDIS結(jié)構(gòu)示意圖(a)單排結(jié)構(gòu)；(b)雙排結(jié)構(gòu)圖4.4-182048位兩相CCD結(jié)構(gòu)示意圖圖4.4-19是該兩相CCD的驅(qū)動脈沖波形及相位關(guān)系。加在CCDA和CCDB上的兩相時鐘脈沖時序不同，前者為φ1、φ2，后者為φ2、φ1，從而保證轉(zhuǎn)移到CCDB的奇數(shù)像元的光電荷的時序在前，轉(zhuǎn)移到CCDA的偶數(shù)像元的光電荷時序在后，正好錯開，合在一起成為按時序輸出的串行視頻信號。圖4.4-19驅(qū)動脈沖波形舉例2.CCD面陣列圖4.4-20是CCD面陣圖像傳感器結(jié)構(gòu)。圖4.4-20(b)所示為行間傳輸方式(InterLineTransfer)CCD結(jié)構(gòu)，其光敏陣列與存儲陣列交錯排列。圖4.4-20CCD面陣圖像信號傳感器結(jié)構(gòu)(a)幀傳輸面陣；(b)行間傳輸面陣4.5電荷注入器件CID電荷注入器件的光敏單元結(jié)構(gòu)與CCD相似，是兩個靠得很近的小的MOS(或MIS-金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)電容，每個電容加高電壓時均可收集和存儲電荷。在適當?shù)碾妷合拢瑑烧咧g的電荷又可互相轉(zhuǎn)移，如圖4.5-1所示。圖4.5-1CID的單元結(jié)構(gòu)及讀出原理圖4.5-2是一種CID面陣結(jié)構(gòu)示意圖。視頻線上帶有輸出管T1和復(fù)位管T2。輸出管通常接成源隨器使用，以減小輸出阻抗，同時使視頻線與外電路隔離，實際上能起到片上放大器的作用。這里的X相當于上述“行”，而Y為“列”。CID移位寄存器結(jié)構(gòu)與SSPD完全相同，為MOS移位寄存器。圖4.5-2CID面陣示意圖4.6固體圖像傳感器的主要特性參數(shù)4.6.1光譜響應(yīng)特性SSPD器件具有典型的硅光電二極管的光譜響應(yīng)特性。一般在0.4μm<λ<0.9μm波段內(nèi)，可近似看作理想的光子探測器。而在λ<0.4μm或λ>0.9μm時，由于產(chǎn)生表面吸收和體吸收，量子效率較低，因此光譜響應(yīng)曲線較理想情況明顯下降。圖4.6-1CCD與PN結(jié)構(gòu)的特性對比(a)光譜響應(yīng)特性對比；(b)器件表面光反射特性對比4.6.2靈敏度圖像傳感器的靈敏度標志著器件光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率，通常用在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量下器件輸出的電流或電壓幅度來表示。器件靈敏度S為(4.6-1)4.6.3暗信號及動態(tài)范圍1.暗信號SSPD的暗輸出信號包括三部分：①積分暗流電流；②由于時鐘開關(guān)瞬態(tài)通過寄生電容耦合進入視頻線的固定圖形噪聲；③熱噪聲。2.動態(tài)范圍圖像傳感器的動態(tài)范圍是指輸出飽和信號與暗場噪聲之比值，是一個隨定義不同而變化的參數(shù)。對于圖4.6-2所示的簡單電流放大器輸出波形而言，動態(tài)范圍DR為DR=飽和信號峰值Vos

開關(guān)瞬態(tài)峰值VSw

(4.6-3)圖4.6–2簡單電流放大器輸出波形對于圖4.6-3所示的積分、采樣保持電路輸出波形的情況，動態(tài)范圍DR定義為DR=飽和信號峰值Vos

暗信號的最大差值ΔVd

(4.6-4)圖4.6–3積分、采樣保持電路輸出波形圖4.6-4定義暗信號比的視頻信號示意圖4.6.4分辨率分辨率有時也稱為鑒別率或分解力，是用來表示能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力。分辨率通常有兩種表達方式：一種是極限分辨率，另一種是調(diào)制傳遞函數(shù)。設(shè)調(diào)幅波信號的最大值為Amax，最小值為Amin，平均值為A0，振幅為Am，見圖4.6-5。則調(diào)制度M定義為(4.6-6)圖4.6-5調(diào)制傳遞函數(shù)(a)調(diào)制度的定義；(b)光電列陣對正弦波光強采樣MTF的定義為：在各個空間頻率下，圖像傳感器的輸出信號的調(diào)制度Mout(ν)與輸入光信號調(diào)制度Min(ν)的比值：(4.6-7)式中ν是空間頻率。4.6.5工作頻率工作頻率是指視頻信號的采樣頻率。最高工作頻率主要受移位寄存器工作頻率、采用的工藝、電路設(shè)計等限制。SSPD器件的最低工作頻率主要受最大積分時間Tsmax的限制。

4.6.6CCD的特性參數(shù)1.轉(zhuǎn)移效率η由于CCD是一種動態(tài)模擬寄存器，