固体成像器件

,第八章固体成像器件,随着半导体集成技术的发展,特别是MOS集成工艺的成熟,在20世纪70年代末出现了采用电荷耦合器件（CCD）构成的成像器件的成熟产品。为了区别于真空成像器件,将CCD称为固体成像器件。固体成像器件不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换,再用电子束按顺序进行扫描获得视频信号;与真空成像器件不同,固体成像器件本身就能完成光学图像转换、信息存储和按顺序输出(称自扫描)视频信号的全过程。,第八章固体成像器件,固体成像器件有两大类:电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice),简称CCD;自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodArray),简称SSPD,又称MOS图像传感器。如图所示为线阵CCD器件的实物外观。,第八章固体成像器件,固体成像器件与真空摄像器件相比,有以下优点:体积小,重量轻,功耗低;耐冲击,可靠性高,寿命长;无像元烧伤、扭曲,不受电磁场干扰;SSPD的光谱响应范围从0.251.1m,对近红外线也敏感,CCD也可做成红外敏感型;像元尺寸精度优于1m,分辨率高;可进行非接触位移测量;基本不保留残像(真空摄像管有15%20%的残像)。视频信号与微机接口容易。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,8.1.1电荷耦合器件的结构电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号,而不是以电流或电压作为信号。在硅单晶的衬底上生长一层厚度约为120150nm的二氧化硅(SiO2)层,然后按一定次序沉积n个金属电极或多晶硅电极作为栅极,栅极间的间隙约2.5m,电极的中心距离1520m,于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个金属-氧化物-半导体结构,即MOS结构。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,这种结构再加上输入、输出结构就构成了n位CCD，如图所示为P型硅为衬底的CCD结构示意图。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,8.1.2电荷耦合原理与电极结构1.电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)结构。如图(a)所示。当栅极施加正电压UG(此时UG小于等于P型半导体的阈值电压Uth)时,P型半导体中的空穴将开始被排斥,并在半导体中产生如图(b)所示的耗尽区。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,电压继续增大,耗尽区将继续向半导体体内延伸,如图(c)所示。UG大于Uth后,耗尽区的深度与UG成正比。该区域对电子来说,是一个势能很低的区域,也称势阱。可将半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成反型层。加在栅极上的电压愈高,表面势越高,势阱越深;若外加电压一定,势阱深度则随势阱中电荷量的增加而线性下降。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,若将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势,且用s表示,s将随栅极电压UG的增大而增大。在没有反型层电荷时,势阱的“深度”与栅极电压UG的成正比。如图(a)所示为空势阱的情况。图(b)所示为反型层电荷填充1/3势阱时表面势收缩的情况,当反型层电荷继续增加,表面s将逐渐减小,反型层电荷足够多时,表面势s减小到最低值F,如图（c）所示。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,此时,表面势不再束缚多余的电子,电子将产生“溢出”现象。这样,表面势可作为势阱深度的量度,而表面势又与栅极电压、氧化层厚度dox有关,即与MOS电容的容量Cox和UG的乘积有关。势阱的横截面积取决于栅极电压的面积A。则MOS电容存储信号电荷的容量为,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,(8-1),2.电荷耦合假设t=t1=0时,已有一些信号电荷存储在偏压为+10V的号电极下的势阱里。其他3个电极上均加有大于阈值但仍较低的电压(图(a)中为+2V),这些电极下面也有势阱,但很浅。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,t=t2时,各电极上的电压如图(b)所示,此时电极和电极均加有+10V电压,两电极靠得很近,因此电极和电极下面所形成的势阱就连通,电极下的部分电荷就流入电极下的势阱中。原来电极上的电荷为电极和电极共有。如图（c）所示。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,t=t3时,各电极上的电压如图(d)所示,此时电极上的电压由+10V变为+2V,下面的势阱由深变浅,势阱内电荷开始移入电极下的深势阱中。深势阱从电极下移动到电极下面,势阱内的电荷也向右转移(传输)了一位。如图（e）所示。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,通过将按一定规律变化的电压加到CCD各电极上,电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD的电极分为几组,每一组称为一相,并施加同样的时钟驱动脉冲。CCD正常工作所需要的相数由其内部结构决定。如图所示的结构需要三相时钟脉冲,其驱动脉冲的波形如图(f)所示。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,必须强调指出,CCD电极间隙必须很小,电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。如果电极间隙比较大,两电极间的势阱将被势垒隔开,不能合并,电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移,CCD便不能在外部驱动脉冲作用下转移电荷。能够产生完全转移的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。对于绝大多数的CCD,1m的间隙长度是足够小的。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD,简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD,简称为P型CCD。由于电子的迁移率(单位场强下电子的运动速度)远大于空穴的迁移率,因此N型CCD比P型CCD的工作频率高很多。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,3.CCD电极结构形式从上面分析可知,CCD中电荷的存储和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。如果按照加在电极上的脉冲电压相数来分,常见的CCD电极的结构包括：二相、三相、四相等结构形式。它们都必须满足使电荷定向转移和相邻势阱耦合的基本要求。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,8.1.3电荷耦合器件的组成及其工作原理1输入部分输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种:在滤波、延迟线和存储器应用情况下用电注入的方法;在摄像应用中用光注入的方式。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,(1)光注入这是摄像器件采取的唯一的注入方法。当光照射没到CCD硅片上时,在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对,多数载流子被栅极电压排斥,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。当输入栅开启后,第一个转移栅上加以时钟电压时,这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中,完成光注入过程。光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,如图所示为背面照射式光注入的示意图。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,式中,为材料的量子效率,q为电子电荷量,Neo为入射光的光子流速率,A为光敏单元的受光面积,tc为光的注入时间。,(8-2),当CCD确定以后,、q及A均为常数,注入到势阱中的信号电荷Qin与入射光的光子流速率Neo及注入时间tc成正比。当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时,注入到CCD势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率Neo成正比。在单色入射辐射时,入射光的光子流速率与入射光谱辐射通量的关系为,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,(8-3),该线性关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。,(2)电注入所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样,然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电流注入法如图所示。由N+扩散区和P型衬底构成注入二极管。IG为CCD的输入栅,其上加适当的正偏压以保持开启并作为基准电压。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,模拟输入信号Uin加在输入二极管ID上。当CR2为高电平时,可将N+区(ID极)看做MOS晶体管的源极,IG为其栅极,而CR2为其漏极。当它工作在饱和区时,输入栅下沟道电流为,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,式中,W为信号沟道宽度,Lg为注入栅IG的长度,Uig为输入栅的偏置电压,Uth为硅材料的阈值电压,为载流子的迁移率,Cox为注入栅IG的电容。,(8-4),经过Tc时间注人后,CR2下势阱的信号电荷量为,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,(8-5),可见这种注入方式的信号电荷Qs,不仅依赖于Uin和Tc,而且与输入二极管所加偏压的大小有关。因此,Qs与Uin没有线性关系。用作信息存储和处理时，采用电注入的方式输入电荷。信号电荷来自光注入时，也需要电注入电路在零信号时注入少量电荷(即“胖零”模式)。,2.信号转移部分信号转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成,根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作。信号电荷转移时,只要转移前方电极上的电压高,电极下的势阱深,电荷就会不断地向前运动。通常是将重复频率相同、波形相同并且彼此之间有固定相位关系的多相时钟脉冲分组依次加在CCD转移部分的电极上,使电极上的电压按一定规律变化,从而在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,如图示出了三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。可见,在信号电荷包运行的前方总有一个较深的势阱处于等待状态,于是电荷包便沿着势阱的移动方向向前连续运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定,电荷在势阱中存储的时间,必须远小于势阱的热弛豫时间,所以CCD是在非平衡状态工作的一种功能器件。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,3.输出部分最简单的输出电路是通过二极管检出,输出栅采用直流偏置;输出二极管处于反向偏置状态,到达最后一个转移栅下的电荷包通过输出栅下的“通道”,到达反向偏置的二极管并检出,从而产生一个尖峰波形,此波形受偏置电阻(R)、寄生电容(C)及电荷耦合器件工作频率的影响。如图示出了这种输出电路及波形。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,现在多采用浮置栅输出技术,它包括两个MOSFET,并兼有输出检测和前置放大的作用,如图所示。浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它可实现信号电荷与电压之间的转换,具有大的信号输出幅度(数百毫伏),以及良好的线性和较低的输出阻抗。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,8.1.4电荷转移沟道类型CD电荷转移沟道有两种基本类型:一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,并沿界面传输,这类器件称为表面沟道电荷耦合器件(简称SCCD);另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内,并在半导体内沿一定方向传输,这类器件称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件(简称BCCD)。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,表面沟道与体内沟道的转移结构和性能差别如下：(1)SCCD比BCCD的信号处理能力大；(2)BCCD比SCCD提高了一个数量级以上的工作频率;(3)BCCD大大提高了CCD的转移效率；(4)对于二相BCCD,电荷存储在厚栅电极下,薄栅是转移栅;而在SCCD中,电荷存储在薄栅电极下,厚栅是转移栅。(5)SCCD是少子器件，而BCCD是多子器件。,第八章固体成像器件,8.1电荷耦合器件,8.2电荷耦合器件的分类,8.2.1线阵CCD最简单的线阵CCD是由一个输入二极管(ID)、一个输入栅(IG)、一个输出栅(OG)、一个输出二极管(OD和一系列紧密排列的MOS电容器构成,如图所示。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,这种结构不宜作摄像用,有以下两个方面的原因:电极是金属,容易蔽光,即使是换成多晶硅,由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉比较严重,因此光强损失大,量子效率低;电荷包转移期间,光积分在继续进行,使输出信号产生拖影。作为摄像器件则常将光敏区和转移区分开,从而构成单边传输结构和双边传输结构。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,(1)单边线阵CCD单边传输结构是光敏区通过其一侧转移栅与CCD移位寄存器相连,光敏元被沟阻分隔。光敏元与CCD转移单元一一对应,两者之间设有转移栅,移位寄存器上覆盖有铝遮光,光敏区像元由光栅控制。如图所示。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,光敏阵列一般由光栅控制的MOS光积分电容或PN结光电二极管构成,光敏阵列与CCD模拟移位寄存器之间通过转移栅相连,转移栅既可以将光敏区与模拟移位寄存器分隔开来,又可以将光敏区与模拟移位寄存器沟通,使光敏区积累的电荷信号转移到模拟移位寄存器中。通过加在转移栅上的控制脉冲完成光敏区与模拟移位寄存器隔离与沟通的控制。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,当转移栅上的电位为高电平时,二者沟通;当转移栅上的电位为低电平时,二者隔离。二者隔离时光敏区在进行光电注入,光敏单元不断地积累电荷。有时将光敏单元积累电荷的这段时间称为光积分时间。转移栅电极电压为高电平时,光敏区所积累的信号电荷将通过转移栅转移到CCD模拟移位寄存器中。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,通常转移栅电极为高电平的时间很短,为低电平的时间很长,因而光积分时间要远远超过转移时间。在光积分时间里,CCD模拟移位寄存器在三相交叠脉冲的作用下一位位地移出器件,经输出放大器形成时序信号(或称视频信号)。CCD转移过程中电荷是有损失的。为了得到较好的传递性能,要求每次转移损失率必须小于10-4。单边传输结构CCD通常只适用于光敏元较少的摄像器件中,如256像素CCD。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,(2)双边线阵CCD如图所示为双线线阵CCD摄像器件的结构图。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B,分列在像敏阵列的两边。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,当转移栅A与B为高电位(对于N沟道器件)时,光敏阵列势阱里积存的信号电荷包将同时按箭头指定的方向分别转移到对应的模拟移位寄存器内,然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移,最后经输出放大器以视频信号方式输出。显然,像敏单元的双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半,转移时间缩短一半,它的总转移效率大大提高。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,因此,在要求提高CCD的工作速度和转移效率的情况下,常采用双沟道的方式。然而,双沟道器件的奇、偶信号电荷分别通过A、B两个模拟移位寄存器和两个输出放大器输出。由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器的参数不可能完全一致,就必然会造成奇、偶输出信号的不均匀性。所以,有时为了确保像敏单元参数的一致性,在较多像敏单元的情况下也采用单沟道的结构。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,8.2.2面阵CCD面阵CCD常见的基本类型有两种,即帧转移型(FT)和行间转移型(ILT),也叫内线转移型。1FTCCD帧转移结构包括光敏区、暂存区、水平读出寄存器和读出电路4个部分。前3个部分都是CCD结构,其结构特征是光敏区与暂存区分开,光敏区由并行排列垂直的电荷耦合沟道组成。各沟道之间用沟阻隔离,水平电极条覆盖在各沟道上。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,读出寄存器的每一个转移单元与垂直列电荷耦合沟道一一对应,如图所示。图中是以三相驱动为例,它比较复杂但具有代表性,暂存区和读出寄存器均用铝层覆盖,便于蔽光。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,当积分结束时,光敏元和暂存区以同一速度快速驱动,将光敏区的一场信息转移到暂存区,然后光敏区重新开始另一场积分。同时,暂存区的光信号逐行向读出寄存器转移。工作时,读出寄存器的传输速率为垂直列电荷耦合沟道CCD传输速率的Y倍(Y为垂直CCD的个数),每当读出寄存器驱动Y次,表示一行信息读完,进入行消隐。在行消隐期间,暂存区的垂直CCD向下传输一次,即向读出寄存器转移一行信息电荷。至此,读出寄存器又开始新的一行信号读出。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,2.ILTCCD行间转移结构如图所示,采用了光敏区与转移区相间排列方式。它的结构相当于将若干个单沟道传输的线阵CCD图像传感器按垂直方向并排,再在垂直阵列的尽头设置一条水平CCD,水平CCD的每一位与垂直列CCD一一对应、相互衔接。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,在器件工作时,每当水平CCD驱动一行信息读完,就进入行消隐。在行消隐期间,垂直CCD向上传输一次,即向水平CCD转移一行信号电荷,然后,水平CCD又开始新的一行信号读出。以此循环,直至将整个一场信号读完,进入场消隐。在场消隐期间,又将新的一场光信号电荷从光敏区转移到各自对应的垂直CCD中。然后,又开始新一场信号的逐行读出。,第八章固体成像器件,8.2电荷耦合器件的分类,8.3CCD摄像机分类,8.3.1可见光CCD1.彩色CCD按照电视摄像机的类型,彩色CCD摄像机可分为三片式、二片式和单片式3种类型。三片式结构是传统的摄像方式，该方式将景物经过摄像镜头和分光系统形成红(R)、绿(G)、蓝(B)3个基色,图像分别照射到3片CCD上。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,如图所示。这3片CCD常采用行间转移结构,因为行间转移结构可以把光敏区和转移区分开,能有效防止模糊现象。为了提高蓝光灵敏度,使用透明电极SnO2)作为光敏区电极,转移寄存器采用BCCD。三片式CCD成像质量好,主要用于高质量的摄像机。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,单片式CCD彩色摄像机结构简单、价格较低,是目前工业、家用摄像机中占统治地位的彩色摄像机。单片式彩色CCD的关键是滤色器阵列。滤色器阵列的制作方法有两种:一种是将滤色器阵列制作好后,按规定的方式与CCD器件组合在一起,另一种则是在CCD制作完毕后再在其上制作滤色器阵列。每一个滤色器单元对应一个CCD光敏单元。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,如图所示是常用的行间排列滤色器形式,从色单元的数量看绿色信号占了一半,而红、蓝色单元则占另一半,在这种方式中亮度信号从绿色单元中取出。行间排列的滤色器方式中,绿色单元的位置和数量均不变化,而使红、蓝色在各行都有。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,2.微光CCD微光CCD是指能在微光条件下进行摄像的CCD器件。在微光条件下,景物对比度和清晰度都极差,这就对CCD摄像机性能提出了更高的要求,要求摄像机输出的信噪比必须大于某一个定值(如探测黑白线对,这个值为1.2;微光摄影技术的实质是在物镜与目镜(或显示器)之间放置一个微光像增强器。通过能量转换和信号处理后,在输出端变换成具有适当亮度、对比度和清晰度的可见的目标图像。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,目前,微光CCD摄像器件共有两种类型,即增强型CCD(ICCD)包括两种工作模式:*像增强器与CCD芯片耦合模式；*电子轰击(E-BCCD)工作模式。时间延迟积分型CCD(TDICCD)*TDICCD工作模式。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,1)像增强器与CCD芯片耦合模式如图所示。像增强器与CCD的耦合是一种混合式结构,通常采用两级像增强。第一级采用直径为18mmGaAs光电阴极,其灵敏度为900A/lm,光谱响应范围为0.6一0.9m,极限分辨率为36lp/mm。第二级采用S-20光电阴极,增强后的光学图像用光导纤维束耦合到CCD芯片上。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,2)电子轰击模式该装置是将CCD作为像增强器的阳极直接放置到真空(1.33一13.3Pa)管的成像位置,S-20为光电阴极。如图所示。其工作原理是,当入射光子打在S-20光电阴极上时,发射光电子,光电子被加速(1015keV)并聚焦在面阵CCD芯片上,在光敏元中产生电荷包,积分结束后电荷包转移到移位寄存器输出。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,一般来说,EBCCD每个光电子可以产生大约20003000个电子,加之光电阴极灵敏度可在400A/lm以上,所以EBCCD可以实现高灵敏度、高增益、低暗电流工作。EBCCD的缺点是工作寿命短,因为CCD在1020keV的电子轰击下工作会产生辐射损伤,致使暗电流、漏电流增加,转移效率下降。如果采用背照式,情况会有所改善,但工艺步骤增加,会使成品率降低。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,3)TDICCD工作模式TDI模式不加像增强器而能在微光条件下工作,这种模式能增强每场光积分时间,也等效于增大了光积分面积,从而提高了S/N比。以这种模式工作的CCD常在低温(如-40以下)下工作,这样可以大幅度地降低暗电流。若采用背照式减薄帧转移CCD,摄像性能会更佳。因为背照式减薄(几十微米)克服了正照多晶硅电极及一些不必要的吸收,使光照CCD的量子效率从正照的25%提高到背照的90%以上。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,8.3.2焦平面红外阵列(IRCCD)红外探测器二维阵列,可把被测图像成像于二维阵列上,并转换成电子图像,借助于电子自扫描技术以视频信号输出。用红外探测器阵列代替可见光CCD的光敏元部分,就构成焦平面红外阵列(IRCCD)。根据敏感材料的不同,常用的红外焦平面阵列有PbS和PbSe阵列、PtSi阵列、InSb阵列、HgCdTe阵列、GaAs/ALGaAs阵列、掺杂硅阵列和热释电探测器阵列等几种。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,8.3.3X射线CCD目前X射线CCD器件有两类,一类是直接用CCD像机拍摄X射线图像;另一类是用转换材料,即在每个光敏元上装置有带隔离层的碘化铯晶体,碘化铯晶体是一种能把X射线转换成可见光的高效转换材料,它几乎能把照射的X射线全部吸收。这种结构由于X射线不会直接照射到光敏元阵列上,因而可以延长器件使用寿命;同时,光隔离技术减少了光干扰,提高了信噪比和系统分辨力。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,8.3.4紫外CCD近年来,微光和X射线CCD都取得了很大进展,唯有用于紫外辐射波段的CCD进展缓慢,因为紫外辐射与半导体材料之间相互作用中的许多问题有待解决,如正面CCD较厚的栅氧化层(50120nm)强烈地吸收紫外辐射,使直接探测效率极低。减薄背照CCD的硅表面会形成天然的氧化层,这种氧化层也会影响整个传感器的性能,。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,解决的办法,一是采用各种“背堆积”(BacKaccumuladoD)技术减小界面态作用,二是涂覆某些荧光物质,把紫外光转换成0.5m附近的荧光,利用硅CCD的吸收,并起抗反射涂层的作用。有人认为采用水杨酸钠和红宝石混合物更好,因为水杨酸钠荧光区为0.40.5m,正好是红宝石的吸收带,而红宝石的强荧光区为0.600.77m,这接近硅的响应峰值。目前紫外CCD还在开发之中。,第八章固体成像器件,8.3CCD摄像机分类,8.4CCD的性能参数8.4.1电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。设原有的信号电荷量为Q0,转移到下一个电极下的信号电荷量为Q1,其比值,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,称为转移效率。而没有被转移的电荷量Q与原信号电荷Q0之比,称为转移损失率。即,(8-1),(8-2),显然,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,在理想情况下,=1,但实际上电荷在转移过程中总有损失,所以总是小于1的(常为O.9999以上)。一个电荷为Q0的电荷包,经过n次转移后,所剩下的电荷为,这样,n次转移前、后电荷量之间的关系为,(8-4),(8-3),例如，如果=0.99,经过24次转移后,Qn/Q0=79%;而经过192次转移后,Qn/Q0=15%。可见,提高转移效率是CCD能否实用的关键。影响电荷转移效率的主要因素是表面态对电荷的俘获。为此,常采用“胖零”工作模式,即让“零”信号也有一定的电荷。图中所示为P沟道线阵CCD的电荷转移损失率与“胖零”电荷Q0之间的关系。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,从图中可以看出,增大“0”信号的电荷量,可以减少每次转移过程中信号电荷的损失。在CCD中常采用电注入的方式在转移沟道中注入“胖零”电荷,可以降低电荷转移损失率,提高转移效率。但是,由于“胖零”电荷的引入,CCD器件的输出信号中多了“胖零”电荷分量,表现为暗电流Q0的增加,而且,该“暗电流”是不能通过降低器件的温度来减小的。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,8.4.2光谱响应率和干涉效应CCD受光照的方式有正面受光和背面受光两种。背面光照的光谱响应曲线与光电二极管相似,如图中曲线2所示。如果在背面镀以增透膜,会减少反射损失而使响应率有所提高,如图中曲线3所示。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,正面照射时,由于CCD的正面布置着很多电极,光线被电极多次反射和散射,一方面使响应率减低,另一方面多次反射产生的干涉效应使光谱响应曲线出现起伏,如上图中曲线1所示。为了减小在短波方向多晶硅的吸收,用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做电极,可以减小起伏幅度。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,8.4.3分辨率和调制传递函数CCD由很多分立的光敏单元组成,根据奈奎斯特定律,它的极限分辨率为空间采样频率的一半,如果某一方向上的像元间距为p,则在此方向上像元的空间频率为1/plp/mm,其极限分辨率将小于1/2plp/mm。如果用TVL(电视线)来表示,在某一方向的像元个数就是极限TVL数,显然TVL数的一半与CCD光敏面高度尺寸的比值就是相对应的线对/毫米,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,若用调制传递函数(MTF)来评价CCD的图像传递特性,则CCD的总MTF取决于器件结构(像元宽度、间距)所决定的几何MTF1、载流子横向扩散衰减决定的MTFD和转移效率决定的MTFT。总MTF是这三者的乘积,并且总MTF随空间频率的提高而下降。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,8.4.4动态范围动态范围表征器件能在多大照度范围内正常工作。CCD最小照度受噪声限制,最大照度受电荷处理容量的限制。一般定义动态范围是输出饱和电压和暗场时噪声的峰值电压之比。一个好的CCD器件,其动态范围可达10005000。增大动态范围的途径是降低暗电流值,特别是控制暗电流尖锋,不均匀的暗电流及尖峰都会构成图像噪声,从而影响像质,也影响动态范围。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,8.4.5暗电流和噪声暗电流是指在既无光注入,又无电注入情况下输出的电流。暗电流主要来源有3个,即半导体衬底的热激发、耗尽区里产生-复合中心的热激发和耗尽区边缘的少子热扩散,其中耗尽区内产生复合中心的热激发是主要的。由于CCD各单元的暗电流大小不一致,当信号电荷转移时,暗电流的加人会引起噪声或干扰。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,1散粒噪声在CCD中,无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性,也就是围绕平均值上下变化,形成噪声。2.转移噪声转移噪声是由转移损失及界面态俘获引起的,具有两个特点,一是积累性,另一个是相关性。积累性指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的,与转移次数成正比;相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,3.热噪声热噪声是由于固体中载流子的无规则运动引起的,所有有温度的半导体,无论其中有无外加电流流过,都有热噪声。这里指的是信号电荷注入及输出时引起的噪声,它相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和。上述所讨论的3种噪声,它们的源是独立无关的,所以CCD的总噪声功率应是它们的均方和。,第八章固体成像器件,8.4CCD的性能参数,8.5自扫描光电二极管阵列,8.5.1光电二极管阵列的结构形式和工作原理1.光电二极管阵列的结构形式光电二极管有两种阵列形式,一种是将N个光电二极管同时集成在一个硅片上,将其中的一端(N端)连接在一起,另一端各自单独引出。通常称它们为连续工作方式。另一种就是自扫描光电二极管阵列SSPD,它在器件的内部还集成了数字处理电路,工作在电荷存储方式。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,2.光电二极管阵列的工作原理1)连续工作方式如图所示是光电二极管中电荷存储的连续工作方式,当一束光照到光电二极管的光敏面上时,光电流为,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,式中:光电二极管的量子效率;A光电二极管光敏区面积;E入射光的照度。,(8-5),可见,光电二极管的光电流与入射光的照度和光敏区面积成正比。光一直照下去,负载上的电压一直输出。但是因光电二极管的面积很小,输出光电流是很微弱的。要读取图像信号,就要采用放大倍数非常高的放大器。此外,采用上述的连续工作方式,N位图像传感器至少应有N+1根信号引出线,且布线上也有一定的困难,所以连续工作方式一般只用于64位以下的光电二极管阵列中。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,2)电荷存储工作方式光电二极管电荷存储工作方式的原理如图(a)所示。图中,VD为理想的光电二极管,Cd为等效结电容,Uc为二极管的反向偏置电源(一般为几伏),RL为等效负载电阻。工作步骤如下：(1)准备过程：闭合开关S,如图(a)。电源Uc通过负载电阻RL向光电二极管的结电容Cd充电,充电达到稳定后,PN结上的电压基本上为电源电压Uc。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,此时结电容Cd上的电荷为,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,(2)曝光过程:打开开关S,让光照在光电二极管上,如图(b)。由于光电流和暗电流的存在,结电容Cd将缓慢放电。若K断开的时间为Ts(电荷积分时间),那么在曝光过程Cd上所释放的电荷为,(8-7),(8-6),室温下,光电二极管的暗电流为pA数量级,可以忽略。则可得,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,式中,Ip为平均光电流。结电容Cd上的电压因放电而下降到Ucd,它的值为,(8-9),(8-8),(3)再充电过程:经过时间Ts的积分后,再闭合开关S,如图(c)所示。结电容Cd再充电,直到Cd上的电压达到U。显然,补充的电荷等于曝光过程中Cd上所释放的电荷。再充电电流在电阻RL上的压降UR就是输出的信号。输出的峰值电压为,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,(8-10),将式(8-8)代人式(8-10),则,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,光电流信号的存储是在第(2)步中完成的。输出信号是在第(3)步再充电过程中取出的。若重复(2)、(3)两步,就能不断地从负载上获得光电输出信号,从而使列阵中的光电二极管能连续地工作。,与连续工作方式相比,在电荷存储工作方式下负载电阻上的输出光电流为,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,式中,=RLCd为电路的时间常数。定义增益,可见,电荷存储工作方式下的输出信号比连续工作方式下的信号大得多。,在实际的SSPD器件中,一般由MOS场效应晶体管(FET)控制光电二极管的电荷积分及再充电过程。如图所示,在场效应管T的栅极上加一控制信号e,当e为负电平时,管子T导通,起到开关S闭合的作用;当e为“0”电平时,T截止,相当于开关S断开。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,8.5.2SSPD线阵如图所示,SSPD线阵主要由以下三部分组成。(1)N位完全相同的光电二极管列阵用半导体集成技术把N个光电二极管等间距地排列成一条直线,故称为线阵。这些二极管上的电容Cd相同,它们的N(负)端连在一起,组成公共端COM。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,(2)N个多路开关由N个MOS场效应管VT1VTN组成,每个管子的源极分别与对应的光电二极管p(正)端相连。而所有的漏极连在一起,组成视频输出线UO。(3)N位数字移位寄存器提供N路扫描控制信号e1eN(负脉冲)。每路输出信号与对应的MOS场效应管的栅极相连。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,给数字移位寄存器加上时钟信号,当用一个周期性的起始脉冲S引导每次扫描开始,移位寄存器就产生依次延迟一拍的采样扫描信号e1eN,使多路开关VT1VTN按顺序依次闭合、断开,从而把1N位光电二极管上的光电信号从视频线上输出。若SSPD器件上的照度为E(s),不同单元输出的光电信号幅度UO(t)将随不同位置照度的变化而变化。这样,一幅光照随位置变化的光学图像就转变成了一列幅值随时间变化的视频输出信号。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,8.5.3SSPD面阵以34=12个像元的MOS型图像传感器为例,介绍面阵器件的工作原理。如图所示,SSPD面阵由光电二极管阵列、水平扫描电路、垂直扫描电路及多路开关4部分组成。右下角是每一像素的单元电路;,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,水平扫描电路输出的H1H4扫描信号控制MOS开关VTh1VTh4;垂直扫描电路输出的U1U3信号控制每一像素内的MOS开关的栅极,从而把按二维空间分布照射在面阵上的光强信息转变为相应的电信号,从视频线UO上串行输出,其工作原理和线阵完全相同。这种工作方式又称为XY寻址方式。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,8.5.4SSPD的主要特性参数1.光电特性SSPD器件的输出电荷Q正比于曝光量(曝光量H=ETs)。如图所示,当曝光量达到某一值Hs后,输出电荷就达到最大值Qs。Hs称为饱和曝光量,而Qs为饱和电荷。若器件最小允许起始脉冲周期为Ts,min(由多路扫描频率决定),那么对应的照度Es=Hs/Ts,min称为饱和照度。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,2.暗电流SSPD器件的暗电流主要由积分暗电流、开关噪声、热噪声组成。SSPD器件工作时的积分时间较长,所以暗电流不能忽视,温度每升高7,暗电流约增加1倍,因此随着器件温度升高,最大允许的积分时间将缩短。降低器件的工作温度(如采用液氮致冷),可使积分时间大大延长(几分钟乃至几小时),这样便可探测非常微弱的光强信号。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,SSPD器件的开关噪声比较大。但开关噪声大部分是周期性的,可以用特殊的电荷积分和采样保持电路加以消除;剩下的是暗信号中的非周期性固定图形噪声,其典型值一般小于饱和电平的1%。热噪声是随机的、非重复性的波动,不容易通过信号处理去掉,其典型幅值为饱和电平的0.1%,对大多数应用影响不大。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,3.动态范围SSPD器件的动态范围为输出饱和信号幅值与暗场噪声幅值之比。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,式中:UOS饱和信号峰值;UN噪声暗态峰值。一般情况下,动态范围典型值为100:1。在要求很高的场合,可通过给SSPD线阵每个二极管附加电容器(漏电很小),使动态范围高达10000:1。,下表是图像传感器SSPD与CCD的性能比较表。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,8.5.5SSPD器件的信号读出及放大电路信号输出放大电路通常分为两种类型。(1)电流放大输出,输出电路如图所示。输出信号为尖脉冲,优点是电路简单,工作速度高(可达10MHz)。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,(2)电荷积分放大输出,输出电路如图所示。输出信号为箱形波,优点是信号的开关噪声小,动态范围宽,扫描频率中等(2MHz)以下。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,7.6固体摄像器件的发展现状和应用,1.发展现状5000像素的线阵CCD已商品化,并对4个5000像素CCD进行拼接,实现了两万像素超长线阵CCD,获得了相当大的动态范围,满足了星载、机载、空间监测等要求。线阵彩色CCD已实现了10725像素,阵列的不均匀性小于1%。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,面阵CCD主要用作图像传感器,已有40964096像素的商品出售,信噪比达80dB，暗电流小于25pA/m2(27),输出非均匀性小于1%,像素尺寸为7.5m7.5m,探测信号电平为10个电子。已研制成功90009000像素的超大阵列CCD,实现高清晰度、超高分辨率探测。微光探测方面,市场已推出了10-9lx、水平分辨率大于700TV线、动态范围4000:1的CCD像机。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,CCD阵列元数不断增多,CCD摄像机的性能越来越好。且CCD芯片的成品率不断提高,摄像机的价格大幅度下降。CCD今后的发展趋势是微型化、高速、高灵敏度、多功能化。随着CCD性能的进一步提高,价格进一步降低,应用领域会更扩大。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,应用1文字阅读与图像识别CCD线阵成像器件可用于文字阅读和图像识别等。工作时将纸张或图像放在传送带上,线阵CCD光敏元排列的方向与纸或图像运动方向垂直,光学镜头把数字或图像聚焦在光敏元上,当传送带运动时,CCD成像器即可以逐行扫描的方式将图像读出,最后显示或经细化处理与计算机中所存储的图像特点进行比较,以便识别。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,类似的系统可用于货币识别、条码识别,传真机、邮政编码的信封分检等,如图所示。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,。,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,第八章固体成像器件,8.5自扫描光电二极管阵列,2图形轮廓测绘系统主要是指对图形进行一维或二维几何线度尺寸的测量,这是一门崭新的非接触测量技术。它是通过计算光敏面上物像所占的光敏元的个数,然后根据单个光敏元的尺寸及光学系统的放大率换算而得到被测图形尺寸的,如图所示。由于CCD光敏元是利用光刻技术逐个制作而成的,其尺