固體成像器件

光電成像器件－－固體成像器件分類能進行光電變換、光電信號存儲和掃描輸出的器件CCDCMOS與真空光電器件相比1、全固體化，體積小，重量輕，工作電壓和功耗低；耐沖擊性好，可靠性能好，壽命長。2、基本上不保留殘像，無像元燒傷，不受電磁干擾。3、對紅外也敏感，Si的光譜響應從0.5-1.1um，CCD可做成紅外敏感元件，在軍事上可用于紅外夜視系統(tǒng)4、像元的尺寸幾何位置精度高（優(yōu)于1μ）可用于精密尺寸測量5、視頻信號與計算機接口容易一、電荷耦合器件電荷耦合器件簡稱為CCD(ChargeCoupledDevices)，是20世紀70年代初開始發(fā)展起來的新型半導體器件。從CCD概念提出到商品化的電荷耦合攝像機出現(xiàn)僅僅經歷了四年。其所以發(fā)展迅速，主要原因是它的應用范圍相當廣泛。它在數(shù)字信息存貯、模擬信號處理以及作為圖像傳感器等方面都有十分廣泛的應用。（一）、CCD工作原理CCD的突出特點在于它以電荷作為信號。CCD的基本功能是電荷的存貯和電荷的轉移。因此，CCD的基本工作原理應是信號電荷的產生、存貯、傳輸和檢測。

CCD有兩種基本類型，一種是電荷包存貯在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這種器件稱為表面溝道CCD(簡稱為SCCD)，另一種是電荷包存貯在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向傳輸，這種器件稱為體溝道或埋溝道器件(BCCD)。下面以SCCD為主討論CCD的基本工作原理。1、電荷存貯圖為金屬－－氧化物－－半導體(MOS)結構圖。在柵極未施加偏壓時P型半導體中將有均勻的空穴(多數(shù)載流子)分布。如果在柵極上加正電壓，空穴被推向遠離柵極的一邊。在絕緣體Si02和半導體的界面附近形成一個缺乏空穴電荷的耗盡區(qū)隨著柵極上外加電壓的提高，耗盡區(qū)將進一步向半導體內擴散。絕緣體si02和半導體界面上的電勢(為表面勢Φs)隨之提高，以致于將耗盡區(qū)中的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面，形成一層極薄(約102μm)而電荷濃度很高的反型層，形成時的外加電壓稱為閾值Vth

反型層的出現(xiàn)說明了柵壓達到閾值時，在Si02和P型半導體之間建立了導電溝道。因為反型層電荷是負的，故常稱為N型溝道CCD。如果把M0S電容的襯底材料由P型換成N型，偏置電壓也反號，則反型層電荷由空穴組成，即為P型溝道CCD。實際上因為材料中缺乏少數(shù)載流子，當外加柵壓超過閾值時反型層不能立即形成；所以在這短暫時間內耗盡區(qū)就更向半導體內延伸，呈深度耗盡狀態(tài)。深度耗盡狀態(tài)是CCD的工作狀態(tài)。這時MOS電容具有存貯電荷的能力。同時，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，界面勢下降，氧化層上的電壓降增加。當提供足夠的少數(shù)載流子時，就建立起新的平衡狀態(tài)，界面勢降低到材料費密能級ΦF

的兩倍。對于摻雜為1015／cm3的P型硅半導體，其費密能級為0.3ev。這時耗盡區(qū)的壓降為0.6ev，其余電壓降在氧化層上。圖為實際測得的表面勢Φs與外加柵壓的關系，此時反型層電荷為零。圖為出現(xiàn)反型層電荷時，表面勢Φs與反型層電荷密度的關系。可以看出它們是成線性關系的。根據(jù)上述MOS電容的工作原理，可以用一個簡單的液體模型去比擬電荷存貯機構。當電壓超過閾值時，就建立了耗盡層勢阱，深度與外加電壓有關。當出現(xiàn)反型層時，表面電位幾乎呈線性下降，類似于液體倒人井中，液面到頂面的深度隨之變淺。只是這種勢阱不能充滿，最后有ΦF的深度2、電荷耦合過t1時刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D(b)所示，第二個電極仍保持為l0v，第三個電極上的電壓由2v變到10v，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第二個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有，如圖(b)和(c)。為了理解在CCD中勢阱及電荷是如何從一個位置移到另一個位置的，取CCD中四個彼此靠得很近的電極來觀察。假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第二個電極下面的深勢阱里，其它電極上均加有大于閾值的較低的電壓(例如2v)。(a)為零時刻(初始時刻)若此后電極上的電壓變?yōu)閳D(d)所示，第二個電極電壓由10V變?yōu)?v，第三個電極電壓仍為10v，則共有的電荷轉移到第三個電極下的勢阱中，如圖(e)。由此可見，深勢阱及電荷包向有移動了一個位置。通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時鐘脈沖。CCD的內部結構決定了使其正常工作所需的相數(shù)。本圖結構需要三相時鐘脈沖，其波形如圖(f)所示，這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合(傳輸)方式必須在三相交迭脈沖的作用下才能以一定的方向，逐個單元地轉移。應該指出，CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉移到相鄰電極下。這對于圖所示的電極結構是一個關鍵問題。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個電極向另一個電極轉移。CCD便不能在外部脈沖作用下正常工作。3、電荷的注入和檢測光注入光注入方式，當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的體內產生電子----空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式及背面照射式。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。

電流注入如圖所示，由N+擴散散區(qū)(稱為源擴散區(qū)，記為S)和P型襯底形成的二極管是反向偏置的，數(shù)字信號或模擬信號通過隔直電容加到S上，用以調制輸入二極管的電位，實現(xiàn)電荷注入。輸入柵IG加直流φ2下勢阱中的電荷量輸入柵下溝道電流為電荷的檢測(輸出方式)在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。CCD的重要特性之一是信號電荷在轉移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，但在輸出端則不可避免。因此，選擇適當?shù)妮敵鲭娐房梢詫r鐘脈沖容性饋入輸出的程度盡可能地減小。目前CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。下面對電流輸出方式作簡單介紹。電流輸出電流輸出RId電流輸出RD（二）CCD的特性參數(shù)1．轉移效率和轉移損失率把一次轉移后，到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為轉移效率。如t=0時，某電極下的電荷為Q(0)，在時間t時，大多數(shù)電荷在電場作用下向下一個電極轉移，但總有一小部分電荷由于某種原因留在該電極下，若被留下來的電荷為Q(t)，則轉移效率為如果轉移損失率定義為則轉移效率與損失率的關系為N次轉移后剩下的電荷為N次轉移前后電荷之間的關系為如果線陣列CCD共有n個極板，則總效率為ηn。

引起電荷包轉移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲和時鐘頻率過高，所以表面溝道CCD在使用時，為了減少損耗，提高轉移效率，常采用偏置電荷技術，即在接收信息電荷之前，就先給每個勢阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。這樣，即使是零信息，勢阱中也有一定量的電荷。因此，也稱這種技術為“胖零（fatzero）”技術。另外，體內溝道CCD采取體內溝道的傳輸形式，有效避免了表面態(tài)俘獲，提高了轉移效率和速度。兩種頻率下電荷轉移損失率與“胖零”電荷之間的關系

2．工作頻率(1)決定工作頻率下限因素少數(shù)載流子的平均壽命(2)工作頻率的上限從一個電極轉移到另一個電極所需的時間工作頻率與轉移損失率的關系曲線驅動脈沖頻率與損失率之間的關系曲線(三)CCD攝像器件用于攝像或像敏的CCD稱為電荷耦合攝像器件，又簡稱為ICCD。它的功能是把二維的光學圖像轉變成一維視頻信號輸出。ICCD攝像器件不但具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點，而且在分辨率、動態(tài)范圍、靈敏度、實時傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性，也是其他攝像器件無法比擬的。目前，CCD攝像器件不論在文件復印、傳真、零件尺寸的自動測量和文字識別等民用領域，還是在空間遙感遙測、衛(wèi)星偵察、導彈制導及潛望鏡水平掃描攝像機等軍事偵察系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。ICCD有兩大類型：線型和面型。對于線型器件，它可以直接接收一維光信息。因為它是一維器件，不能直接將二維圖像轉變?yōu)橐曨l信號輸出，而必須用掃描的方法來得到整個二維圖像的視頻信號。

N型溝道的三相線陣CCD用于攝像的原理如圖所示。

CCD攝像的原理由光敏陣列、轉移柵、模擬位移寄存器和輸出放大器等單元構成。（1）．單溝道線型ICCD其光敏陣列與轉移區(qū)——移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。ICCD也可用三相時鐘脈沖驅動。這種器件在光積分周期里，光敏區(qū)在光的作用下產生光生電荷存于由柵極直流電壓形成的光敏MOS電容勢阱中，當轉移脈沖到來時線陣光敏陣列勢阱中的信號電荷并行轉移到CCD移位寄存器中，最后在時鐘脈沖的作用下一位一位地移出器件，形成視頻傳號。單溝道線型ICCD結構圖這種結構的CCD轉移次數(shù)多，轉移效率低，只適用于像敏單元較少的攝像器件。（2）．雙溝道線型ICCD它具有兩列CCD移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。當轉移柵A與B為高電位(對于N溝道器件)時，光積分陣列的信號電荷包同時按箭頭方向轉移到對應的移位寄存器內，然后在驅動雙溝道線型ICCD結構圖出。顯然，同樣像敏單元的雙溝道線陣ICCD要比單溝道線陣ICCD的轉移次數(shù)少一半，它的總轉移效率也大大提高。故一般高于256位的線陣ICCD都為雙溝道的。脈沖的作用下，分別向右轉移，最后以視頻信號輸2面陣ICCD（1）幀轉移圖像經物鏡成像到光敏區(qū)，當光敏區(qū)的某一相電極加有適當?shù)钠珘簳r，光生電荷將被收集到這些電極下方的勢阱里。這樣就將被攝光學圖像變成了光積分電極下的電荷包圖像。當光積分周期結束時，加到成像區(qū)和存儲區(qū)電極上的時鐘脈沖使所收集到的信號電荷迅速轉移到存儲區(qū)中。然后，依靠加在存儲區(qū)和水平讀出寄存器上的適當脈沖，并由它經輸出級輸出一幀信息。當?shù)谝粓鲎x出的同時，第二場信息通過光積分又收集到勢阱中。一旦第一場信息被全部讀出，第二場信息馬上就傳送給寄存器，使之連續(xù)地讀出。這種面陣CCD的特點是結構簡單，光敏單元的尺寸可以很小，但光敏面積占總面積的比例小。（2）隔列轉移型面陣ICCD(四)ICCD的基本特性1.光電轉換特性在ICCD中，電荷包是由入射光子被硅襯底吸收產生的少數(shù)載流子形成的，因此，它具有良好的光電轉換特性。它的光電轉換因子可達到99．7％2.光譜響應ICCD接受光的方式有正面光照與背面光照兩種不同方式。由于ICCD的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射的光譜靈敏度比背面照射時低。即使是透明的多晶硅電極也會因為電極的吸收以及在整個硅－－二氧化硅界面上的多次反射引起某些波長的光產生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)若干個明暗條紋，使光譜響應曲線出現(xiàn)若干個峰與谷，即發(fā)生起伏。為此，ICCD常采用背面照射的方法。采用硅襯底的ICCD，其光譜響應范圍為0．4～1．1μm。其平均量子效率為25％。3．噪聲和動態(tài)范圍動態(tài)范圍由勢阱的最大電荷存儲量與噪聲電荷量之比決定。①勢阱的最大電荷存儲量。②噪聲CCD中有以下幾種噪聲源：電荷注入噪聲；電荷轉移過程中，電荷量的變化引起的噪聲和檢測時產生的噪聲。4．暗電流①耗盡的硅襯底中電子自價帶至導帶的本征躍遷。②少數(shù)載流子在中性體內的擴散③來自sio2表面引起的暗電流④si-sio2

界面表面引起的暗電流5分辨率分辨率是圖像傳感器的重要特性。常用光學傳遞函數(shù)(OTF)中的調制傳遞函數(shù)(MTF)來評價。圖為寬帶光源(白光)與窄帶光源照明下某線陣ICCD的MTF曲線。圖中橫坐標為歸一化的空間頻率，縱坐標為其模傳遞函數(shù)。(五)CCD攝像機的分類1．依成像色彩劃分(1)彩色攝像機適用于景物細部辨別，如辨別衣著或景物的顏色。因有顏色而使信息量增大．信息量一般認為是黑白攝像機的l0倍；(2)黑白攝像機適用于光線不充足地區(qū)及夜間無法安裝照明設備的地區(qū)，在僅監(jiān)視景物的位量或移動時，可選用分辨率高于彩色攝像機的黑白攝像機。

2．按圖像信號處理方式劃分(1)數(shù)字視頻(DV)格式的全數(shù)字式攝像機：(2)帶數(shù)字信號處理(DSP)功能的攝像機；(3)模擬式攝像機。4．按攝像機分辨率劃分 200萬象素 400萬象素 800萬象素3．按攝像機結構區(qū)分(1)普通單機型，鏡頭需另配;(2)機板型(boardTyPe)攝像機部件和鏡頭全部在一塊印刷線路板上(3)針孔型(pinho1etype)帶針孔鏡頭的微型化攝像機；(4)半球型(dometype)是將攝像機、鏡頭、防護罩或者還包括云臺和解碼器組合在一起的緊湊型攝像前端系統(tǒng)，使用方便。

5．按攝像機靈敏度劃分(1)普通型正常工作所需照度為(1—3)lx，(2)月光型正常工作所需照度為0．11x左右；(3)星光型正常工作所需照度為0．011x以下(4)紅外照明型原則上可以使可見光零照度，6．按靶面大小劃分以常規(guī)的有：(1)1in靶面尺寸為寬12．7mm×高9．6mm．對角線16mm；(2)2／3in靶面尺寸為寬8．8mm×高6．6mm,

對角線11mm；(3)1／2in靶面尺寸為寬5．4mm×高4．8mm，對角線8mm(4)1／3in靶面尺寸為寬4．8mm×高3．6mm，對角線6mm(5)1／4in靶面尺寸為寬3．2mm×高2.4mm，對角線4mm(6)1／6in靶面尺寸為災2．7mm×高2．2mm，對角線3.5mm二、CMOS圖像傳感器到20世紀90年代初，CCD技術已比較成熟，并已得到非常廣泛的應用。但是．隨著CCD應用范圍的擴大，其缺點逐漸顯露出來：

(1)CCD光敏單元陣列難與驅動電路及信號處理電路單芯片集成，難以處理一些模擬和數(shù)字電路功能，如模／數(shù)轉換、精密放大、存貯、運算等。

(2)CCD陣列驅動脈沖復雜，使用相對較高的工作電壓，無法與深亞微米VLSI(大規(guī)模集成電路)技術兼容。為克服上述缺點，滿足對小型化、低功耗和低成本成像系統(tǒng)消費需求的增加，出現(xiàn)了幾種新的固體圖像傳感技術，其中，最引人注目且最有發(fā)展?jié)摿Φ氖遣捎脴藴蔆MOS半導體工藝生產的圖像傳感器，即CM0S圖像傳感器。ComplementaryMetalOxideSemiconductorCMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor），中文學名為互補金屬氧化物半導體，它本是計算機系統(tǒng)內一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導最基本的資料。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶-電）和P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器，CMOS傳感器也可細分為被動式像素傳感器（PassivePixelSensorCMOS）與主動式像素傳感器（ActivePixelSensorCMOS）光電二極管型CMOS無源像素傳感器（CMOSPPS）的結構自從1967年Weckler首次提出以來實質上一直沒有變化，其結構如圖所示。它由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關管構成。當開關管開啟時，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)。當光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的