CCD传感器及其应用分析.docx

PAGE 1 PAGE 1 CCD传感器及其应用分析  伴随半导体与光电技术的快速发展，固态图像传感器也应运而生，生产工艺技术也发展迅猛。固态图像传感器与平凡图像传感器相比，具有体积小、失真小、灵敏度高、抗振动、耐潮湿、成本低等很多优点，因此可以被广泛应用于工业测量、掌握，尤其是在图像识别等领域，并将广泛渗透于我国的工农业生产的各个部门，为我国的精细加工、机器人技术以及工业自动化领域的发展起重大作用。同时，计算机软硬件技术的日新月异，也会给固态图像传感器的应用带来宽阔前景。  一、引言  图像传感器是利用光电器件的光一电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。  固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”，它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲掌握下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列。  固态图像传感器与平凡的图像传感器比，具有体积小、失真小、灵敏度高、抗振动、耐潮湿、成本低的特点。这些特色打算了它可以广泛用于自动掌握和自动测量，尤其是适用于图像识别技术中。本文从分析固态图像传感器的原理动身，着重对它在测控及图像识别领域进行分析和探讨。  二、电荷祸合器件及工作原理  电荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices，简称CCD)，是固态图像传感器的敏感器件，与平凡的MOS,TTL等电路一样，属于一种集成电路，但CCD具有光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。  电荷祸合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上，加以适当的脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。假如所转移的信号电荷是由光像照耀产生的，则CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的，则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及规律运算等功能。  电荷祸合器件CCD的基本原理与金属一氧化物一硅(MOS)电容器的物理机理亲密相关。因此。首先分析MOS电容器原理。  图1是热氧化P型Si(p-Si)衬底上淀积金属而构成的一只MOS电容器，若在某一时刻给它的金属电极加上正向电压咋，p-Si中的多数载流子(此时是空穴)便会受到排斥，于是，在Si表面处就会形成一个耗尽区。这个耗尽区与平凡的pn结一样，同样也是电离受主构成的空间电荷区。并且，在一定条件下，凡越大，耗尽层就越深。这时，Si表面汲取少数载流子(此时是电子)的势(即表面势V;)也就越大。显而易见，这时的MOS电容器所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。据此，恰好可以利用“表面势阱”(简称势阱)这一形象比方来说明MOS电容器在V;(或说在玲)作用下存储(信号)电荷的能力。习惯上，把势阱想象作一个桶，把少数载流子(信号电荷)想象成盛在桶底上的流体。在分析固态器件时，常常取半导体衬底内的电位为零，所以，取表面势环的正值增方向朝下更便利(图1(b))。  表面势V;是一个特别重要的物理量。在图1Ca)所示的状况下，若所加Vc不超过某限定值时，则表面势为:  上式是由半导体内电位分布的泊松方程求解得到的。因为Xa是受VG掌握的，所以V;也是Vc的函数。  CD的电荷(少数载流子)的产生有两种方式:电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器，CCD接收的是光信号，即光信号注入法。当光信号照耀到CCD硅片上时，在栅极四周的耗尽区汲取光子产生电子一空穴对。这时在栅极电压的作用下，多数载流子(空穴)将流入衬底，而少数载流子(电子)则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。  这样高于半导体禁带宽度的那些光子，就能建立起正比于光强的存储电荷。  由很多个MOS电容器排列而成的CCD，在光像照耀下产生光生载流子的信号电荷，再使其具备转移信号电荷的自扫描功能，即构成固态图像传感器。  图2是光导摄像管与固态图像传感器的基本原理比较。图2ta)中，当入射光像信号照耀到摄像管中间电极表面时，其上将产生与各点照耀光量成比例的电位分布，若用电子束扫描中间电极，负载Rl上会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化，这恰是所需的输出电信号。所用电子束的偏转或集束，是由磁场或电场掌握实现的。  图2(b)所示的固态图像传感器的