文档介绍：CCD图像传感器
第一页，共43页。
第十三章 CCD图像传感器
第二页，共43页。
第十三章 CCD图像传感器
光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、存储、十页，共43页。
电荷转移原理
设想在驱动脉冲的作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距为15μm~20μm。若两个相邻MOS光敏元所加的栅压分别为VG1<VG2（如下图所示），因VG2高，表面形成的负离子多，则表面势中Φ2>Φ1，电子的静电位能-qΦ2<-qΦ1<0，则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，即1中的电子有向2中下移的趋势。若串联很多光敏元，且使VG1<VG2<……< VGN，则可形成一个输运电子的路径，从而实现电子的转移。
第十一页，共43页。
CCD的工作原理
由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。
下图为三相三位N沟CCD器件，其中，Ip（图中未画出）为输入电极，IG（图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，OP为输出极，Φ1、Φ2、Φ3为3个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为Φ1→Φ2→Φ3→Φ1，且3个脉冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。Φ1驱动1、4电极，Φ2驱动2、5电极，Φ3驱动3、6电极。
第十二页，共43页。
CCD的工作原理
由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。
三相三位N沟CCD器件的结构、驱动和转移示意图
第十三页，共43页。
CCD的工作原理
t1时刻：Φ1=l，Φ2=Φ3=0；l、4势阱最深，2、5和3、6势阱为0。
　　t2时刻：Φ1=l/2，Φ2=1，Φ3=0；1、4势阱变为1/2，2、5势阱变为l，1、4势阱中的电子会向2、5势阱中移动。
　　t3时刻：Φ1=0，Φ2=1，Φ3=0；Φ1电极下的电子全部转移至Φ2电极下的2、5势阱中。
　　t4时刻：Φ1=0，Φ2=l／2，Φ3=1；Φ2电极下2、5势阱中的电子向Φ3电极下的3、6势阱中转移。
　　t5时刻：Φ1=0，Φ2=0，Φ3=1，Φ2电极下的电子全部转移至Φ3电极下的3、6势阱中。
第十四页，共43页。
CCD的工作原理
如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷包直接输出。
　　由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。
第十五页，共43页。
CCD图像传感器
CCD图像传感器从结构上可分为线阵型和面阵型两种。
线阵型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元和寄存器之间有一个专以控制栅，基本接口如下图所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光几分周期里，各个光敏源中所积累的光电荷与该光敏原上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由一位寄存器串行输出，如此重复上述过程。
第十六页，共43页。
CCD图像传感器
线阵型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线阵型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别等领域。
面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输3种。下面分别给以介绍。
线阵型CCD图像传感器
第十七页，共43页。
CCD图像传感器