第6章-CCD和COMS成像器件

第6章全固態(tài)成像器件分類ImageSensor的分類有兩種：

1.CCD圖像傳感器

2.CMOS圖像傳感器ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件簡(jiǎn)稱）是攝像系統(tǒng)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，通常以百萬(wàn)像素〈megapixel〉為單位CCD背景介紹W.S.Boyle與G.E.Smith1969年，由美國(guó)的貝爾研究室所開(kāi)發(fā)出來(lái)的。同年，日本的SONY公司也開(kāi)始研究CCD。1973年1月，SONY中研所發(fā)表第一個(gè)以96個(gè)圖素并以線性感知的二次元影像傳感器〝8H*8V(64圖素)FT方式三相CCD〞。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64VCCD研究成功了。1976年8月，完成實(shí)驗(yàn)室第一支攝影機(jī)的開(kāi)發(fā)。1980年，SONY發(fā)表全世界第一個(gè)商品化的CCD攝影機(jī)(編號(hào)XC-1)。1981年，發(fā)表了28萬(wàn)個(gè)圖素的CCD(電子式穩(wěn)定攝影機(jī)MABIKA)。1983年，19萬(wàn)個(gè)圖素的IT方式CCD量產(chǎn)成功。1984年，發(fā)表了低污點(diǎn)高分辨率的CCD。1987年，1/2inch25萬(wàn)圖素的CCD，在市面上銷售。同年，發(fā)表2/3inch38萬(wàn)圖素的CCD，且在市面上銷售。1990年7月，誕生了全世界第一臺(tái)V8目前有能力生產(chǎn)CCD的公司有：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Sanyo和Sharp，大部分是日本廠商第6章CCD和COMS成像器件電荷耦合器件（CCD）的成像器件屬于固體成像器件，其作用原理和尋址方式與電子束掃描的攝像管完全不同。CCD已成為當(dāng)前固體成像器件中較普遍采用的類型，但不能代表所有的固體攝像器件。CCD的應(yīng)用主要有兩大類：

一、信息存貯和信息處理。如在電子計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字系統(tǒng)中用作用作延時(shí)器等，

二、攝像器件。這種裝置與真空攝像管的主要區(qū)別在于它把光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)存貯及讀取三個(gè)部分都集中在一個(gè)支承片上，成為一個(gè)全固體攝像器件。與真空攝像器件相比，CCD成像器件具有：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低、與集成電路工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，正得到深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，如黑白、彩色、微光、紅外攝像器件，用于軍事探測(cè)、氣象觀察、大氣觀察、醫(yī)學(xué)觀察、天文觀察、火災(zāi)報(bào)警、閉路監(jiān)控等等。隨著集成電路水平的提高，CMOS型成像器件水平提高得很快，也得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為CCD成像器件的有利競(jìng)爭(zhēng)者。6.1電荷耦合器件的基本原理MOS電容即金屬（Metal）-氧化物(Oxidation)-半導(dǎo)體(Seminconductor)構(gòu)成的電容器，常稱為MOS電容，或MOS結(jié)構(gòu)。（a）MOS電容器；（b）一般電容器。電容的相同特征注意其區(qū)別:電荷分布不一樣.6.1.1MOS結(jié)構(gòu)特征能帶向上彎，隨著向表面接近，價(jià)帶頂將逐漸甚至超過(guò)費(fèi)米能級(jí);表面價(jià)帶中空穴濃度隨之增加，這樣表面層內(nèi)就出現(xiàn)空穴堆積而帶正電荷。越接近表面空穴濃度越高，這表明空穴堆積分布在靠近表面的薄層內(nèi)。如圖6-2（a）所示。1.UG<0，多數(shù)載流子堆積狀態(tài)表面處能帶向下彎曲，這時(shí)越接近表面，費(fèi)米能級(jí)離價(jià)帶頂越遠(yuǎn);表面價(jià)帶中空穴濃度隨之降低，表面處空穴濃度將較體內(nèi)空穴濃度低得多，表面層的負(fù)電荷基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度，表面層的這種狀態(tài)稱為耗盡，這個(gè)表面層稱為耗盡層，這屬于空間電荷區(qū)。2.UG>0多數(shù)載流子耗盡

空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)，以VS表示，規(guī)定表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，VS取正值。由于表面能帶向下彎，存在表面勢(shì)，具有對(duì)電子的收集能力，在表面處形成電子勢(shì)阱。隨UG↑，VS↑，耗盡層寬度d↑，收集電子能力↑、勢(shì)阱變深，如圖6-2（b）所示。

表面處能帶進(jìn)一步向下彎曲，表面處費(fèi)米能級(jí)位置可能高于禁帶中央能級(jí)Ei，這意味著表面處的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，即形成與原來(lái)半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的一層叫做反型層，如圖6-2（c）所示。3.UG>0，UG繼續(xù)增大

當(dāng)UG>0，有自由電荷進(jìn)入勢(shì)阱，耗盡層寬度和表面勢(shì)VS均隨著電荷的增加而減小，勢(shì)阱變淺。在這種情況下，半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)的負(fù)電荷由兩部分組成，一部分是耗盡層中已電離的受主電荷；另一部分是反型層中的電子，后者主要堆積在近表面內(nèi)。4.UG>0，有自由電荷進(jìn)入勢(shì)阱當(dāng)電子充滿勢(shì)阱時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，界面電子濃度等于襯底受主密度，該時(shí)就達(dá)到強(qiáng)反型層。在強(qiáng)反型層時(shí)，VS=2VF=2（Ei-EF），如果外界不注入少子（電子）或不引入各種激發(fā)，則反型層中的電子的來(lái)源只能是耗盡層中熱激發(fā)產(chǎn)生的電子，即熱生載流子，這種熱激發(fā)是很慢的，為一弛豫過(guò)程,約為10-3~10-1s量級(jí)。5.強(qiáng)反型層在穩(wěn)定狀態(tài)下，不能再向勢(shì)阱注入電荷。這種情況對(duì)于探測(cè)光信號(hào)是沒(méi)用的。對(duì)于光電探測(cè)，所關(guān)心的是非穩(wěn)態(tài)情況。在通常情況下，反型層中的自由載流子由熱生載流子所提供。熱生過(guò)程比較緩慢，10-3~10-1s，所以不會(huì)立即達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。因此可利用反型前的非穩(wěn)定條件即在深耗盡時(shí)人為地注入信號(hào)電荷，如電注入或光注入，就可以達(dá)到存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷的目的。這就是CCD的工作條件。綜上所述，CCD就是在非穩(wěn)定條件下工作的MOS電容器的集成。6.1.2CCD的勢(shì)阱深度和存貯電荷能力QD=NAedd——耗盡層厚度；NA——受主雜質(zhì)濃度QG+QI+QD=0QG——柵電荷（+）；QI——自由電子電荷（-）；QD——耗盡層固定電荷（-）根據(jù)半導(dǎo)體公式可知，d=(2εVS/NAe)1/2ε——基底材料的介電常數(shù)。QD=[2εNAeVs]1/2

CCD的電壓關(guān)系:

，

UFB為平帶電壓

Wm,Ws分別為金屬、半導(dǎo)體的逸出功自由電荷量QI為ne，n為自由電荷的密度，得：則

將（6-5）式代入（6-4）式，并考慮到自由電荷量QD為ne，n為自由電荷的密度，得，

并設(shè)

由此可見(jiàn)，表面勢(shì)與柵壓，氧化層電容，受主濃度以及勢(shì)阱中的自由電子濃度有關(guān)。其中A為柵面積，氧化層的電容6.1.3電荷耦合原理CCD工作在深耗盡區(qū)，可以用電注入或光注入的方法向勢(shì)阱注入電荷，以獲得自由電子或自由空穴，此勢(shì)阱中所包含的自由電荷通常稱為電荷包。在提取信號(hào)時(shí)，需要將電荷包有規(guī)則地傳送出去，這一過(guò)程叫做CCD的電荷轉(zhuǎn)移，它是靠各個(gè)MOS的柵極在時(shí)鐘電壓作用下，以電荷耦合方式實(shí)現(xiàn)的。勢(shì)阱深度的形象表達(dá)；勢(shì)阱的電荷形象表達(dá)。電荷耦合原理6.2.1轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)通常按照每個(gè)單元采用的電極相數(shù)來(lái)劃分，如每個(gè)單元包含三個(gè)電極，分別由三相時(shí)鐘脈沖供電，則稱為三相CCD，對(duì)于某些特殊結(jié)構(gòu)的CCD，可采用二相供電，稱二相CCD。如每個(gè)單元包含四個(gè)電極，分別由四相時(shí)鐘脈沖供電，則稱為四相CCD.1三相電極結(jié)構(gòu)。圖6-6三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程a.由于N'A>NA，所以左邊VS<右邊VS。.b.因?yàn)樽筮卍ox>右邊dox，所以左邊Vs<右邊Vs。c.雙金屬層的結(jié)構(gòu)，類似b。2．二相電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了位壘，能防電荷向后倒流，如圖6-7（d）。二相電路同三相相比，簡(jiǎn)化了供電線路，接線方式可以使電荷由左向右轉(zhuǎn)移，也可從右往左轉(zhuǎn)移。二相電極結(jié)構(gòu)雖然供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但是電荷存貯能力和處理能力比三相的低。還有四相CCD。6.2.2轉(zhuǎn)移信道結(jié)構(gòu)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)（或埋溝）轉(zhuǎn)移信道。采用表面信道的CCD，稱為表面CCD，簡(jiǎn)稱SCCD，采用埋溝信道的CCD，稱為埋溝CCD，簡(jiǎn)稱BCCD。SCCD轉(zhuǎn)移和存貯信號(hào)電荷的位阱都是在Si-SiO2界面下。SCCD存在一些問(wèn)題，如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低，其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。在Si和SiO2界面處存在Na+，K+等雜質(zhì)離子，形成表面態(tài)，表面態(tài)密度成馬鞍形，能量位于禁帶，其態(tài)密度中央小，靠近價(jià)帶和導(dǎo)帶的密度大，在1013cm-3左右。實(shí)際上，表面態(tài)發(fā)射電子速度較慢，電子跟不上信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移速度，從而進(jìn)入后續(xù)的電荷包，造成信息損失，使轉(zhuǎn)移效率下降，轉(zhuǎn)移速度不能提高。為了避免表面態(tài)的作用，將電荷轉(zhuǎn)移信道埋在體內(nèi)，從而形成埋溝CCD。1．SCCD的一些問(wèn)題2．BCCD結(jié)構(gòu)

基底為P型，在硅的表面注入雜質(zhì)，如元素磷P，使之形成N型薄層。在N型兩端做上N+層，起源和漏的作用。

從金屬電極、SiO2層和N型層來(lái)看，相當(dāng)于柵極加負(fù)電壓，于是在N區(qū)形成場(chǎng)感應(yīng)耗盡層（電子耗盡層），其厚度為d1；同時(shí)，由于N和P之間施以反偏壓，故形成體內(nèi)的耗盡層，其厚度為d2+d3，d2，d3分別為擴(kuò)展到N區(qū)及P區(qū)的部分的耗盡層，d2，d3隨偏壓的升高而增大，當(dāng)增加到某一值時(shí)，d2與d1在Z-Z處相接觸時(shí)，N區(qū)全部電離，d2不能再增加。一旦貫通后，VZ值與VB無(wú)關(guān)，不管VB如何進(jìn)一步增加，VZ始終保持著貫通時(shí)的VB值。圖6-10埋溝CCD圖6-11埋溝CCD能帶場(chǎng)感應(yīng)耗盡層和PN結(jié)耗盡層

通過(guò)計(jì)算可得，VZ~UG近似呈線性，VZ是氧化層厚度dox、N層厚度dN、N層中的施主濃度ND、P基底的受主濃度的受主濃度NA，以及柵壓UG的函數(shù)。1．dox=0.1μm,dN=2μm,ND=2×1015cm-32．dox=0.6μm,dN=2μm,ND=2×1015cm-33．dox=0.1μm,dN=2μm,ND=4×1015cm-34．dox=0.1μm,dN=5μm,ND=2×1015cm-3UG↑→VZ↑，VZ~UG近似成直線;dox↑→VZ↑；dN↑,VZ↑；ND↑→VZ↑1)BCCD中傳遞信息的電子是N層中的多子，后者是P層中少子。3．BCCD和SCCD之間的區(qū)別5)BCCD最大優(yōu)點(diǎn)是低噪聲，這主要是由于消除了信號(hào)電子與表面態(tài)間的相互作用。低噪聲加上高的轉(zhuǎn)換效率使得BCCD成為低照度下的理想攝像器件。4)BCCD轉(zhuǎn)移速度高3)BCCD轉(zhuǎn)移損失比SCCD小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，具有高的轉(zhuǎn)移效率。2)SCCD中的信息電荷集中在界面處很薄的反型層中，而B(niǎo)CCD的信息電荷集中在體內(nèi)Z平面附近，BCCD處理電荷的能力比SCCD約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。6.2.3通道的橫向限制

如果電極間距離較大，勢(shì)阱形狀將發(fā)出彎曲變化，會(huì)使信號(hào)電荷漏出，外面電荷也會(huì)漏進(jìn)來(lái)。

隔離方法：a.加屏蔽電場(chǎng)、

b.溝阻擴(kuò)散（或注入）法

c.氧化物臺(tái)階法。圖6-12橫向限制技術(shù)1—位壘場(chǎng)屏蔽極；2—轉(zhuǎn)移電極；3—屏蔽極；4—SiO25—耗盡層；6—厚氧化層；7—溝阻擴(kuò)散層a)加屏蔽電場(chǎng)b)氧化層臺(tái)階法c)溝阻擴(kuò)散法d)改善的方法聯(lián)合采用厚場(chǎng)氧化物和重?fù)诫s的溝阻擴(kuò)散。6.2.4輸入結(jié)構(gòu)CCD勢(shì)阱獲得電荷的方法有三種：即熱生、光生及電注入。

熱生電荷構(gòu)成暗電流，

光生電荷構(gòu)成光信號(hào)電流，

電注入的電荷既可以是數(shù)字或模擬處理系統(tǒng)的輸入信號(hào)，也可以是其它光電器件的光電信號(hào)。

電注入的方法有很多，但其基本指導(dǎo)思想都是要盡量保證注入的電荷量同實(shí)際信號(hào)呈線性，具體分為兩種：

一、保證電荷包大小同輸入電壓成正比，

二、保證表面勢(shì)的大小同輸入電壓成正比。在實(shí)際中，電位平衡法應(yīng)用最廣泛。(a)輸入信號(hào)加在G2上，輸入柵壓G1保持恒定電壓，開(kāi)始時(shí)輸入二極管加低電位脈沖，作為采樣窄脈沖.(b)此時(shí)由于UG2>UD，故電荷注滿G2勢(shì)阱。(c)然后立即升高二極管電位，使之處于強(qiáng)反偏狀態(tài)，這樣G2存貯阱中的多余電荷則向二極管區(qū)倒流，直到G2下面的表面勢(shì)同G1下面的表面勢(shì)相等轉(zhuǎn)移的電荷

:QS=COx(UG2-UG1)

即VSG1=VSG2=VSG2下的勢(shì)阱電荷QS=Cox[UG2-VSG2-(2u0VS)1/2]因?yàn)镚1下已經(jīng)沒(méi)有電荷，VSG1=UG1-(2u0VSG1)1/2(d)在Φ2變?yōu)楦唠娖剑盘?hào)電荷轉(zhuǎn)移到Φ2勢(shì)阱中。電位平衡法的優(yōu)點(diǎn):1、線性特性好，2、有高信噪比，3、信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，不會(huì)因?yàn)榻缑鎽B(tài)及電荷轉(zhuǎn)移不完全而使信號(hào)失真。4、電位平衡法消除了柵注入法所帶來(lái)的隨機(jī)噪聲。它是目前表面CCD作為模擬信號(hào)處理較理想的輸入方法。輸出結(jié)構(gòu)的任務(wù):從輸入端輸入的電荷包，在時(shí)鐘脈沖的作用下，很快轉(zhuǎn)移到輸出端的最后一個(gè)時(shí)鐘電極下面，還需要把電荷包無(wú)破壞地以電流或是以電壓的方式輸送出去。輸出結(jié)構(gòu)有:反偏二極管輸出結(jié)構(gòu)、浮置擴(kuò)散層(FD)輸出結(jié)構(gòu)、浮置柵結(jié)構(gòu)、分布式浮置柵結(jié)構(gòu)等，用得最多還是浮置擴(kuò)散層輸出結(jié)構(gòu)。6.2.5輸出結(jié)構(gòu)

浮置擴(kuò)散層輸出結(jié)構(gòu)

輸出柵極為一固定的中等電平，在Φr為低電平，當(dāng)Φ3下降時(shí)，電荷包轉(zhuǎn)移到反偏二極管的位阱中，D點(diǎn)變化，電壓變化被T2管放大，檢出。節(jié)點(diǎn)D電位變化與信號(hào)電荷QS為CFD浮置擴(kuò)散點(diǎn)上的總電容，包括輸出二極管電容和放大管的柵電容。MOST2放大管放大后的電壓增益為gm為跨導(dǎo)，RL是輸出端負(fù)載電阻，所以輸出信號(hào)電壓

當(dāng)Φr加正的窄脈沖時(shí)，即MOSFTTT1的柵極加有復(fù)位電位，T1管導(dǎo)通，UGG電壓直接加在D點(diǎn)上。此時(shí)，擴(kuò)散層處于強(qiáng)反型狀態(tài)，當(dāng)前一個(gè)電荷輸出完畢，下一個(gè)電荷包尚未輸入之前，把前一個(gè)電荷包電荷抽走，使輸出端T2柵極復(fù)位，以準(zhǔn)備接收下一電荷包的到來(lái)，之后MOST1截止，準(zhǔn)備接收電荷。6.3CCD的主要特性1．電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率

設(shè)電荷包的原電量為Q0，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱時(shí)電荷包的電量為Q1，則轉(zhuǎn)移效率

與η對(duì)應(yīng)還定義損耗率ε=

電荷轉(zhuǎn)移效率

設(shè)CCD共有n次轉(zhuǎn)移，則總的轉(zhuǎn)移效率

（6-20）

（6-18）（6-19）

，Q0-Q1

勢(shì)阱中還剩余的電荷。

單位電荷包的輸出信號(hào)

信號(hào)經(jīng)多位傳輸后，主峰減小，并產(chǎn)生延時(shí)現(xiàn)象。引起電荷包不完全轉(zhuǎn)移的原因有：表面態(tài)對(duì)電子的浮獲、體內(nèi)缺陷對(duì)電荷包的作用，自感應(yīng)電場(chǎng)、熱擴(kuò)散、邊緣電場(chǎng)等，主要原因還是表面態(tài)對(duì)電子電荷的浮獲，時(shí)鐘頻率過(guò)高。

所以SCCD在使用時(shí)，為了減小損失，提高轉(zhuǎn)移效率，常采用偏置電荷技術(shù),采取體內(nèi)溝道的傳輸形式。2．工作頻率a.時(shí)鐘頻率的下限f下

f下決定于非平衡熱生載流子的平均壽命τ，一般為毫秒量級(jí)，此處非平衡載流子一般由熱激發(fā)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子。為了避免其對(duì)信號(hào)電荷的影響，電荷包在相鄰兩電極之間的轉(zhuǎn)移時(shí)間t，應(yīng)小于τ，即t<τ。對(duì)于三相CCD，電荷包從前一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到后一個(gè)勢(shì)阱所需時(shí)間為T/3

（6-21）

（6-22）

（6-23）

對(duì)二相CCD由于熱產(chǎn)生的附加電荷是積累的，經(jīng)多次轉(zhuǎn)移就可觀了。如果要求熱產(chǎn)生的少子注入小于信號(hào)處理能力的1%，對(duì)于表面CCD和三相CCD，運(yùn)行頻率要求高于10KHz，這就是CCD工作的頻率下限。3．電荷貯存容量CCD電荷貯存容量表示在電極下的勢(shì)阱中能容納的電荷量，由于CCD是電荷存貯與轉(zhuǎn)移的器件，因此電荷存貯容量等于時(shí)鐘脈沖變化幅值電壓ΔV與氧化層電容Cox的乘積Q=Cox·ΔV·A

式中ΔV為時(shí)鐘脈沖變化幅值；Cox為SiO2層的電容，A為柵電極面積，如SiO2氧化層的厚度為d，則每一個(gè)電極下的勢(shì)阱中，最大電荷貯存容量

Nmax=

提高時(shí)鐘脈沖的幅值或減小d值，均可以增大電荷貯存量，但這兩個(gè)條件都受到SiO2擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的限制，通常電場(chǎng)強(qiáng)度Emax=5~10×108V·cm-12048×2048面陣CCD5000像元線陣CCD1.三相單溝道線陣CCD2.雙溝道線陣CCD3.面陣CCD攝像器件6.4電荷耦合成像器件6.4.1線陣電荷耦合成像器件1．結(jié)構(gòu)：兩相線陣，2048個(gè)像素，光敏區(qū)、存貯電極、電荷轉(zhuǎn)移電極、CCD移位寄存器、輸出機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，圖6-20TCD102C-1型CCD結(jié)構(gòu)原理圖2．原理1）光電轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。光透過(guò)正面透明電極及電極間隙入射在基底上，產(chǎn)生光生電荷存貯在p-n結(jié)和存貯電極下勢(shì)阱中。

2）轉(zhuǎn)移。當(dāng)SH為高電平時(shí)，光生電荷包被轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的CCD移位寄存器中。當(dāng)SH為低電平期間進(jìn)行攝像，PN結(jié)存貯光電荷，進(jìn)行光積累。在電荷包轉(zhuǎn)移期間，按奇偶序號(hào)分開(kāi)，分別轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的移位寄存器中去。左端是器件的輸出機(jī)構(gòu)，Q1、Q2為場(chǎng)效應(yīng)管，它們構(gòu)成源極跟隨器，下接兩個(gè)管子作跟隨器負(fù)載電阻用，通過(guò)它們把攜帶圖像信息的電荷包以電壓的形式送到器件以外。

3）輸出。OS端就是CCD信號(hào)輸出電極。RS電極為復(fù)位控制極，需要外加適當(dāng)?shù)膹?fù)位脈沖，每當(dāng)前一個(gè)電荷包輸出完畢，下一電荷包尚未輸出之前，RS電極上應(yīng)出現(xiàn)復(fù)位脈沖，它把前一電荷包電荷抽走，使輸出管Q1的柵極電位復(fù)原，以準(zhǔn)備接收下一電荷包到來(lái)。右端1S、1G電極組成補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，當(dāng)外加適當(dāng)脈沖電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)肥零補(bǔ)償。6.4.2面陣電荷耦合成像器件(ACCID)

1．幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)(FT)（2）幀轉(zhuǎn)移：在相當(dāng)于垂直消隱期間內(nèi)，光敏區(qū)的信號(hào)電荷平移到暫存區(qū)。（3）行轉(zhuǎn)移：當(dāng)光敏區(qū)處于第二場(chǎng)光積分期間，暫存區(qū)的驅(qū)動(dòng)脈沖為行轉(zhuǎn)移脈沖，在相當(dāng)于水平消隱期間，暫存區(qū)將原來(lái)從光敏區(qū)平移來(lái)的信號(hào)按一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器，直至?xí)捍鎱^(qū)最上面一行中的信號(hào)電荷進(jìn)入讀出寄存器中。（4）位轉(zhuǎn)移：已進(jìn)入讀出寄存器的信號(hào)電荷，在相當(dāng)于行正程期間，由水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包一個(gè)個(gè)讀出，在輸出級(jí)得到視頻信號(hào)。（1）光積分：在一場(chǎng)時(shí)間內(nèi)，光生信號(hào)電荷就被收集在這些電極下的勢(shì)阱中，在整個(gè)光敏區(qū)便形成了與光像對(duì)應(yīng)的電荷圖形。2．行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)(ILT-CCD)

光敏元呈二維排列，每列光敏單元的右邊是一個(gè)垂直移位寄存器，光敏元與轉(zhuǎn)移單元之間一一對(duì)應(yīng)，二者之間由轉(zhuǎn)移柵控制，底部仍然是一個(gè)水平讀出寄存器，其單元數(shù)等于垂直寄存器個(gè)數(shù)。原理:（1）光敏元在積分期內(nèi)積累的信號(hào)電荷包，在積分期末了時(shí)，在轉(zhuǎn)移柵控制下水平地轉(zhuǎn)移一步進(jìn)入垂直寄存器件。（2）在相當(dāng)于水平消隱期間，在、作用下，暫存區(qū)將原來(lái)從光敏區(qū)平移來(lái)的信號(hào)一行一行地轉(zhuǎn)移到水平讀出寄存器，直至?xí)捍鎱^(qū)最上面一行中的信號(hào)電荷進(jìn)入讀出寄存器中。（3）已進(jìn)入讀出寄存器的信號(hào)電荷，在相當(dāng)于行正程期間，由水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、下快速地一行接一行將一行內(nèi)的電荷包一個(gè)個(gè)讀出，在輸出極上得到視頻信號(hào)。由于行間結(jié)構(gòu)多采用二相或四相電極結(jié)構(gòu)，因此隔行掃描容易實(shí)現(xiàn)，只需讓和相分別擔(dān)任奇偶場(chǎng)積分就可以了。3．幀行間轉(zhuǎn)移（FIT）結(jié)構(gòu)6.4.3兩種面型結(jié)構(gòu)成像器件的比較//1．分辨率

對(duì)于像敏單元中心距相同的CCD來(lái)說(shuō)，行間轉(zhuǎn)移(ILT)比幀轉(zhuǎn)移(FT)具有更高的水平分辨率和MTF。

其中，f——像空間頻率；——CCD空間頻率；l——像敏元中心距；d——像敏元直徑。

因?yàn)镮T的像敏區(qū)在水平方向上縮小了，在l相同的情況下，d越小，MTF越大，IT結(jié)構(gòu)的像敏尺寸比幀轉(zhuǎn)移的尺寸小一半。265×180133×9066×4533×22分辨率不同的圖象比較2．響應(yīng)率幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)兩者的光敏面積占芯片面積的比例大致相等。在幀轉(zhuǎn)移器件中，光敏元在一場(chǎng)的周期內(nèi)積分。不過(guò)，前者的積分在整個(gè)單元面積上進(jìn)行，而后者每一場(chǎng)只在單元面積的一半進(jìn)行積分，因此總的響應(yīng)率對(duì)于二者基本上是一致的。

3．拖影問(wèn)題行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)在積分期結(jié)束后只需一次轉(zhuǎn)移就進(jìn)入垂直移位寄存器進(jìn)行讀出。可見(jiàn)，總的轉(zhuǎn)移次數(shù)較少，拖影效應(yīng)不嚴(yán)重。而幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移次數(shù)較多才使光信號(hào)電荷全部進(jìn)入暫存區(qū)，這個(gè)過(guò)程拖影較嚴(yán)重。

兩種結(jié)構(gòu)的熱噪聲基本上是相同的，但固定圖案噪聲，行間轉(zhuǎn)移器件要小些。

在單片式彩色電視攝象機(jī)中，多采用行間轉(zhuǎn)移器件。這就可以使用芯片尺寸較小的行間轉(zhuǎn)移器件。前面已述小型器件的優(yōu)點(diǎn)較多，也是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

兩種都可以正面光照攝象，但幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)襯底可以減薄，還能從背面光照攝象，在低照度攝象上獲得廣泛應(yīng)用，特別是可以構(gòu)成EB-CCD，在微光下工作。行間轉(zhuǎn)移器件則不宜背照工作方式。6．光照方式5．在彩色電視攝象機(jī)中的應(yīng)用4．噪聲問(wèn)題6.4.4掃描方式與讀出轉(zhuǎn)移動(dòng)作

電視系統(tǒng)傳輸圖像是按照一定的掃描方式進(jìn)行的。掃描方式主要有兩種：現(xiàn)行電視機(jī)所使用的跳躍掃描，和計(jì)算機(jī)或下一代電視機(jī)所使用的順序掃描。跳躍掃描也稱為隔行掃描，是將奇數(shù)行與偶數(shù)行分為不同的場(chǎng)進(jìn)行掃描，再將兩場(chǎng)合成一幀的掃描方式，如圖6-20(a)。順序掃描也稱為逐行掃描，一次將一幀的所有行掃描出來(lái)，由于CCD圖像傳感器，要求與圖像信號(hào)同步輸出信號(hào)，因此需要配合以上掃描方式設(shè)計(jì)動(dòng)作。在此，以行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)為例，說(shuō)明掃描的動(dòng)作讀出方式。

圖6-20隔行掃描與順序掃描方式1．幀讀出方式2.場(chǎng)讀出方式結(jié)構(gòu)的共同特征是：垂直CCD（以圖例為四相CCD）反復(fù)間距（pitch）為一個(gè)單元（cell）橫跨兩個(gè)像素，每?jī)蓚€(gè)像素只配置一個(gè)垂直CCD（四相）反復(fù)單元。該結(jié)構(gòu)有利于像素大小的小型化。若為NTSC制式，幀讀出各像素的儲(chǔ)存時(shí)間為1/30s（依據(jù)各國(guó)制式而有不同），且每?jī)舌彽膬蓤?chǎng)的儲(chǔ)存時(shí)間有1/60秒的重疊，場(chǎng)讀出方式中，所有像素均由每個(gè)場(chǎng)讀出，儲(chǔ)存時(shí)間為1/60秒。由于儲(chǔ)存時(shí)間的差異大，幀讀出的儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)，容易發(fā)生動(dòng)態(tài)分辨率的下降。相反地，場(chǎng)讀出由于垂直CCD中上下相連的像素信號(hào)電荷，導(dǎo)致垂直分辨率下降。3．全像素讀出71將所有的像素同時(shí)讀出，由于轉(zhuǎn)移與讀出時(shí)信號(hào)不混合，與幀讀出同樣具有相當(dāng)高的垂直分辨率，而且擁有動(dòng)態(tài)分辨率不易下降的優(yōu)點(diǎn)，主要支持逐行掃描的讀出方式，也可支持隔行掃描。與幀讀出和場(chǎng)讀出方式不同，全像素讀出方式的每個(gè)像素需要垂直CCD的一個(gè)單元，垂直CCD使用三相CCD。因此，垂直CCD的單元尺寸變小，可轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷減小，存在著代表圖像傳感器最大信號(hào)輸出的飽和信號(hào)變小的傾向，感光度也減半。幀讀出、場(chǎng)讀出與全像素讀出的特征74CCD像元結(jié)構(gòu)

ITCCD像元ITCCD截面圖ITCCD像元結(jié)構(gòu)75新型的CCD結(jié)構(gòu)PIACCD

八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大，將像素旋轉(zhuǎn)45°排列的結(jié)果是可以縮小對(duì)圖像拍攝無(wú)用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)八邊形結(jié)構(gòu)762、八邊形結(jié)構(gòu)布局彩色CCD的組成結(jié)構(gòu)分圖CCD的三層結(jié)構(gòu)：上：增光鏡片、中：色塊網(wǎng)格下：感應(yīng)線路由微型鏡頭、馬賽克分色網(wǎng)格，及墊于最底層的電子線路矩陣所組成6.5、彩色CCD成像器件彩色CCD運(yùn)行圖彩色CCD運(yùn)行圖說(shuō)明是1980年初，由SONY領(lǐng)先發(fā)展出來(lái)的技術(shù)。這是為了有效提升CCD的總畫素，又要確保單一畫素持續(xù)縮小以維持CCD的標(biāo)準(zhǔn)體積。因此，必須擴(kuò)展單一畫素的受光面積。但利用提高開(kāi)口率來(lái)增加受光面積，反而使畫質(zhì)變差。所以，開(kāi)口率只能提升到一定的極限，否則CCD將成為劣品。為改善這個(gè)問(wèn)題SONY率先在每一感光二極管上（單一畫素）裝置微小鏡片。這個(gè)設(shè)計(jì)就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積不再因?yàn)閭鞲衅鞯拈_(kāi)口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來(lái)決定。如此一來(lái)，可以同時(shí)兼顧單一畫素的大小，又可在規(guī)格上提高了開(kāi)口率，使感光度大幅提升。彩色CCD混色（RGB色）原理CCD的第二層是『分色濾色片』，這個(gè)部份的作用主要是幫助CCD具備色彩辨識(shí)的能力?；氐皆搭^，CCD本身僅是光與電感應(yīng)器，透過(guò)分色濾片，CCD可以分開(kāi)感應(yīng)不同光線的『成分』，從而在最后影響處理器還原回原始色彩。彩色CCD的原色原理目前CCD有兩種分色方式：一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYG補(bǔ)色分色法，這兩種方法各有利弊，過(guò)去原色和補(bǔ)色CCD的產(chǎn)量比例約在2：1左右，2003年后由于影像處理引擎的技術(shù)和效率進(jìn)步，目前超過(guò)80％都是原色CCD的天下。

彩色CCD的補(bǔ)色原理補(bǔ)色CCD由多了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設(shè)定在800以上。彩色CCD的感光層這層主要是負(fù)責(zé)將穿透濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，并將訊號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。這個(gè)部份可以說(shuō)是CCD真正核心的部份，主要的CCD設(shè)計(jì)大致上分成幾個(gè)區(qū)塊。被稱為畫素Pixel（Photodiodes）感光二極管，主要是應(yīng)用于光線感應(yīng)部份，Gate區(qū)有一部份被用作電子快門，藍(lán)色區(qū)塊則是布局為電荷通路，用來(lái)傳導(dǎo)電荷之用。白色區(qū)塊就是ChargeDrain，也有稱為ShieldedShiftRegisters，中文或可翻為電荷儲(chǔ)存區(qū)，主要功用為收集經(jīng)二極管照射光線后所產(chǎn)生之電荷。FoveonX3傳感器6.6CMOS型成像器件的象素構(gòu)造CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）型固體攝像器件是早期開(kāi)發(fā)的一類器件，利用了CMOS集成電路的工藝來(lái)制作，與大規(guī)模集成電路工藝兼容，獲得了極大的發(fā)展。由于制造工藝技術(shù)的進(jìn)展，特別是固定圖像噪聲消除電路的采用以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得它在當(dāng)前的單片式彩色攝像機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。各種規(guī)格的CMOS型攝像器件及攝像機(jī)商品已問(wèn)世，實(shí)際上它已成為CCD攝像器件的一個(gè)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。結(jié)構(gòu):根據(jù)象素上電路復(fù)雜程度不同，CMOS成像器件結(jié)構(gòu)型式有兩類：無(wú)源象素（PassivePixelSensor,PPS）及有源象素（ActivePixelSensor,APS）結(jié)構(gòu)形式。按照感光元來(lái)區(qū)分，又有光電二極管感光和MOS感光元。目前實(shí)用化的圖像器件是有源象素。下面主要闡述這個(gè)結(jié)構(gòu)的CMOS成像器件。APS器件的象素結(jié)構(gòu)有以下幾種：PN結(jié)光電二極管方式、光電門(photogate)+FD方式、掩埋型光電二極管+FD方式。CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu)

CMOS成像器件的組成

CMOS成像器件的組成原理框圖如圖所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場(chǎng)效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成。

如圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分別由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇；輸出信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)輸出。

圖像信號(hào)的輸出過(guò)程可由圖像傳感器陣列原理圖說(shuō)明。在Y方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開(kāi)關(guān)（圖中標(biāo)志的Si,j），信號(hào)將通過(guò)行開(kāi)關(guān)傳送到列線上，再通過(guò)X方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制，輸送到放大器。

1)開(kāi)始儲(chǔ)存,PN結(jié)無(wú)電荷,此時(shí)行復(fù)位線為低電平;2)PN結(jié)進(jìn)行光電信號(hào)的積累,其電壓被放大晶體管放大;

行選擇線為高,把電壓加到列選擇線上,列線水平移位緩存器作用下,依次移出;3)行復(fù)位線為高電平,把電荷抽走了.4)行復(fù)位線然后又為低電平.回到1).6.6.1PN結(jié)光電二極管方式6.6.2光電門+FD方式1）Tx為低電平，行復(fù)位線為低電平，光照射到MOS二極管上，光電荷積累在MOS的勢(shì)阱中，進(jìn)行光電信號(hào)積累。

2）在光電信號(hào)積累的同時(shí)，進(jìn)行上一幀積累信號(hào)的讀出。行選擇線為高電平，該行的信號(hào)電壓通過(guò)放大晶體管放大，加在該行的負(fù)載晶體管上，然后水平移位緩存器依次開(kāi)啟，把該行的信號(hào)電壓輸出。

3）該行信號(hào)輸出完畢后，待該行的儲(chǔ)存時(shí)間到了，行復(fù)位線為高脈沖電平，把上一幀積累在FD處的信號(hào)電荷抽走到電源VDD中去，。

4）把行復(fù)位線為低電平，準(zhǔn)備接受新的電荷包。

5）Tx為高電平，把積累在MOS二極管的信號(hào)電荷包轉(zhuǎn)移到FD中。轉(zhuǎn)移完成后，Tx變?yōu)榈碗娖剑瑴?zhǔn)備進(jìn)行新一幀的信號(hào)積累，回到1）的狀態(tài)。6.6.3掩埋型光電二極管+FD方式1）行讀出線為低電平，行復(fù)位線為低電平，光照射到PN二極管上，光電荷積累在PN的勢(shì)阱中，進(jìn)行光電信號(hào)積累。

2）在光電信號(hào)積累的同時(shí)，進(jìn)行上一幀積累信號(hào)的讀出。行選擇線為高電平，該行的信號(hào)電壓通過(guò)放大晶體管放大，加在該行的負(fù)載晶體管上，然后水平移位緩存器依次開(kāi)啟，把該行的信號(hào)電壓輸出。

3）該行信號(hào)輸出完畢后，待該行的儲(chǔ)存時(shí)間到之前，行復(fù)位線為高脈沖電平，把上一幀積累在FD處的信號(hào)電荷抽走到電源VDD中去，。

4）把行復(fù)位線為低電平，準(zhǔn)備接受新的電荷包。

5）行讀出線為高電平，把積累在MOS二極管的信號(hào)電荷包轉(zhuǎn)移到FD中。轉(zhuǎn)移完成后，行讀出線變?yōu)榈碗娖?，?zhǔn)備進(jìn)行新一幀的信號(hào)積累，回到1）的狀態(tài)。各像素構(gòu)造的特征比較從感光產(chǎn)生信號(hào)的基本動(dòng)作來(lái)看，CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相同，但是從攝影面配置的像素取出信號(hào)的方式與構(gòu)造來(lái)看，兩者卻有很大的差異。CCD使用與LSI相差甚遠(yuǎn)的制造工藝，CMOS圖像傳感器的制造則是基于CMOSLSI制造工藝。若考慮相同的用途，感光度或噪聲等影響畫質(zhì)的因素成為大家最感興趣的內(nèi)容。本節(jié)將CMOS與CCD圖像傳感器比較，同時(shí)介紹CMOS圖像傳感器的特征。6.8CMOS與CCD圖像器件的比較1.動(dòng)作方式與構(gòu)造的差異CCD圖像傳感器，入射光產(chǎn)生的信號(hào)電荷不經(jīng)過(guò)放大，直接利用CCD具有的轉(zhuǎn)移功能運(yùn)送到輸出電路，在輸出電路放大信號(hào)電壓輸出。CMOS圖像傳感器是通過(guò)使各像素具有放大功能的電路將光電轉(zhuǎn)換的信號(hào)電荷放大，然后各像素再利用XY地址方式進(jìn)行選擇，取出信號(hào)電壓或電流。CCD圖像傳感器直接傳送信號(hào)電荷，容易受到漏光噪聲的影響，CMOS圖像傳感器則在像素內(nèi)放大信號(hào)電荷，所以不易在信號(hào)傳達(dá)路徑中受到噪聲的影響。CCD圖像傳感器只能將信號(hào)依照像素的排列順序輸出.由于CMOS圖像傳感器的各像素的信號(hào)利用選擇的方式取出，取出的順序易改變，具有較高的掃描自由度。CMOS圖像傳感器則與開(kāi)關(guān)與像素排列無(wú)關(guān)，容易控制。像素的構(gòu)造也必然有所差異.

CCD圖像傳感器的像素構(gòu)造，從功能來(lái)看，是由進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存信號(hào)電荷的光電二極管、將信號(hào)電荷送至垂直CCD的讀出柵極，以及轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的垂直CCD所構(gòu)成，彼此間不分離地電性連續(xù)形成。CMOS圖像傳感器是由光電二極管與接收放大、選擇與復(fù)位的MOS晶體管等個(gè)別的元件所構(gòu)成，各自擁有功能的元件，可以在像素內(nèi)絕緣分離而利用配線進(jìn)行連接，并可使用與CMOSLSI相同的電路符號(hào)表示像素的構(gòu)造。2．CCD與CMOS圖像器件的特性比較3．制造過(guò)程與片上系統(tǒng)由于CMOS圖像傳感器的制造工藝是基于CMOSLSI制造工藝，因此不需要改變制造工藝，易于在同一芯片上裝入圖像傳感器外的其他功能。用于圖像傳感器的片上系統(tǒng)(systemonchip)，可裝入照相機(jī)信號(hào)處理或是圖像處理的功能。由于CCD圖像傳感器采用不同于CMOSLSI制造工藝形成，難以裝入CMOS電路，一般認(rèn)為CMOS圖像傳感器具有可拓寬應(yīng)用范圍的優(yōu)勢(shì)。也許不能說(shuō)是相互對(duì)照，但在這里同樣采用連續(xù)掃描方式CCD圖像傳感器取1／4型33萬(wàn)像素，CMOS圖像傳感器則取1／3型33萬(wàn)像素。

4．電源由于CCD圖像傳感器對(duì)垂直CCD和水平CCD的電容群，以較大的電壓振幅驅(qū)動(dòng)，而且在FD放大器上必須施加較高的電源電壓，因此消耗電力大.CMOS圖像傳感器在這一點(diǎn)有它的優(yōu)勢(shì)。如果只關(guān)注電源方面，CMOS圖像傳感器必然比CCD圖像傳感器便于使用。5．儲(chǔ)存的同時(shí)性CCD圖像傳感器將同一時(shí)期內(nèi)入射光