CCD图像传感器.ppt

1、第十三章电荷耦合器件图像传感器第十三章电荷耦合器件图像传感器光学固态图像传感器是一种高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号的转换、存储、传输和处理。它具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优点。它能探测可见光、紫外光、x光、红外光、微光和电子轰击等。广泛用于图像识别和传输，如摄像系统等。根据其结构，固态图像传感器可分为三种类型：一种是电荷耦合器件；第十三章电荷耦合器件图像传感器，第二章是金属氧化物半导体图像传感器，也称为自扫描光电二极管阵列(SSPA)；简称)；第三种是电荷注入装置。目前使用最多的是前两种，CCD图像传感器在非常暗的环境下噪声低，性能好；金属氧化物半导体图

2、像传感器质量高，可由低压电源驱动，外围电路简单，下面将单独介绍。电荷耦合器件是以电荷包形式存储和传输信息的半导体表面器件，它是在金属氧化物半导体结构电荷存储的基础上发展起来的，所以有人称之为“排列型金属氧化物半导体电容器阵列”。金属氧化物半导体电容器是一种光电传感器，可以检测一个像素。如果图像中有许多像素，则需要相同数量的光电传感器，也就是说，要采集一幅图像，就需要一个包含许多金属氧化物半导体光电传感器的大规模集成器件。13.1.1金属氧化物半导体光传感器的结构和原理。下图显示了p型半导体mos光电传感器的结构图。在制备过程中，首先在磷硅晶片上氧化二氧化硅介质层，然后在其上沉积一层金属铝作为栅

3、电极，在磷硅半导体上制作下电极。半导体与二氧化硅界面电荷分布的工作原理如下：当栅极上突然施加一个正电压脉冲时，金属电极板将带一些正电荷，电场将排斥磷硅中二氧化硅界面附近的空穴。当一些电子没有移动到这个区域时，在二氧化硅附近会出现一个耗尽层，耗尽区中的电离物质被负电离。13.1.1金属氧化物半导体光敏元件的结构和原理。在半导体空间电荷区，电势的变化可以用泊松方程来确定。假设半导体和二氧化硅之间的界面为原点，耗尽层厚度为xd，泊松方程和边界条件为：其中V(x)为距离表面x的电势；e是x处的电场；钠是磷硅中掺杂剂的浓度；0和s分别是真空和二氧化硅的介电常数。13.1.1 MOS光敏元件的结构和原理可

4、以求解，所以如上图所示，半导体和绝缘体之间的界面处的电势x=0是：因为s大于0，电子势能qs小于0，所以表面具有存储电荷的能力，一旦有电子，这些电子就会移动到耗尽层的表面，这种表面状态称为电子势阱或表面势阱。随着VG的增加，栅极上的正电荷数也增加，二氧化硅附近的磷硅中形成的负离子数相应增加，耗尽区宽度增加，表面势阱加深。另外，如果形成金属氧化物半导体电容器的半导体材料是氮硅，当电压为负电压时，在二氧化硅附近的氮硅中将形成空穴势阱。13.1.1金属氧化物半导体光敏元件的结构和原理，当光照射金属氧化物半导体电容器时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少数电子被吸收到势阱中。光强越大，产生的电子

5、-空穴对越多，势阱中收集的电子越多。相反，光线越弱，收集的电子就越少。因此，势阱中的电子数可以反映光的强度，从而指示图像的亮度。因此，该金属氧化物半导体电容器实现了从光信号到电荷信号的转换。如果同时将VG加到光敏元件阵列中，整个图像的光信号将同时变成电荷包阵列。当一些电子填充势阱时，耗尽层的深度和表面电势将随着电荷的增加而降低(由于电子的屏蔽效应，势阱将被屏蔽)13.1.1金属氧化物半导体光敏元件的结构和原理，当光照射金属氧化物半导体电容器时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少数电子被吸收到势阱中。光强越大，产生的电子-空穴对越多，势阱中收集的电子越多。相反，光线越弱，收集的电子就越少。因此，势阱中的电子数可以反映光的强度，从而指示图像的亮度。因此，该金属氧化物半导体电容器实现了从光信号到电荷信号的转换。如果同时将VG加到光敏元件阵列中，整个图像的光信号将同时变成电荷包阵列。当一些电子填充势阱时，耗尽层的深度和表面电位会随着电荷的增加而降低(由于电子的屏蔽作用，在一定的光强下，势阱在一定的时间内会被电子填充)，所以收集的电子量应该适当调整。13.1.2电荷转移原理，假设在驱动脉冲的作用下，电荷包阵列将被逐个自扫描并从同一输出端输出。当形成图像时，畴脉冲序列，即每个电荷包的信号将被连续传送到相邻的光敏元件，间隔为15m和20m。如果两个相邻的金属氧化物半