光電子技術(shù)基礎(chǔ)-固體成象器件

固體成像器件固體成像器件電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD）自掃描光電二極管列陣（SelfScannedPhotodiodeArray—SSPD，又名MOS圖像傳感器）。（1）固體化，體積小，重量輕，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)；（2）不保留殘像，無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾；（3）對(duì)紅外也敏感，用于夜視系統(tǒng)等；（4）位置精度高，可用于不接觸精密測(cè)量；（5）視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易，便于圖像的后續(xù)處理。攝像管的工作原理光學(xué)圖像投射到光電陰極上，產(chǎn)生相應(yīng)的光電子發(fā)射，在加速電場(chǎng)和聚焦線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用下打到靶上，在靶的掃描面形成與圖像對(duì)應(yīng)的電位分布最后，通過電子束掃描把電位圖像讀出，形成視頻信號(hào)。CCD的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在p或n型硅單晶襯底上生長(zhǎng)一層厚120nm～150nm的SiO2層，再按一定次序沉積n個(gè)金屬電極作為柵極，柵極間隙2.5μm，電極中心距為15～20μm，于是每個(gè)電極與其下方的SiO2和半導(dǎo)體構(gòu)成了一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即MOS結(jié)構(gòu).穩(wěn)態(tài)MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)（1）多子堆積狀態(tài)VG<0，p型半導(dǎo)體中的空穴堆積在表面。（2）多子耗盡狀態(tài)VG>0，VG<Vth，電場(chǎng)排斥表面的空穴，表面無空穴。（3）載流子反型狀態(tài)VG>Vth，氧化物和半導(dǎo)體的界面處電子濃度大于空穴濃度，即形成反型層。這時(shí)MOS結(jié)構(gòu)的狀態(tài)稱為強(qiáng)反型狀態(tài)。CCD的電荷存儲(chǔ)原理CCD工作在VG>Vth，但尚未出現(xiàn)強(qiáng)反型的瞬態(tài)，屬于非穩(wěn)態(tài)器件。CCD柵極施加電壓VG時(shí)，電極下半導(dǎo)體表面部分的空穴被排斥，形成一可填充負(fù)電荷的深勢(shì)阱（一般稱為深耗盡層），而周圍熱激發(fā)的電子進(jìn)入此耗盡區(qū)需要一定時(shí)間，如果在此刻以某種方式（電注入或光注入）向勢(shì)阱中注入信號(hào)電荷，這些信號(hào)電荷就會(huì)聚集于表面附近形成電荷包，這些電荷包就反映了待測(cè)信息。CCD的電荷耦合三相CCD將柵極分為三組a、b、c，然后分別加以相位不同的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，這即是所謂的三相CCD。三相波形剛好互相錯(cuò)開T/3周期，因此時(shí)鐘電壓波形每變化T/3周期，電荷包就要轉(zhuǎn)移過一個(gè)電極，每變化一個(gè)周期，則轉(zhuǎn)移過三個(gè)極板即一組電極。二相CCD對(duì)于二相CCD，電壓波形每變化T/2，電荷包轉(zhuǎn)移過一個(gè)電極，每變化一個(gè)周期，則轉(zhuǎn)移過二個(gè)電極即一位。CCD具有移位寄存器的功能。電荷的電注入浮置擴(kuò)散放大器輸出：

FloatingDiffusionAmplifier電荷轉(zhuǎn)移效率η和轉(zhuǎn)移損失率ε

轉(zhuǎn)移到下一電極的電荷量Q1和原有電荷量Q0之比，為電荷轉(zhuǎn)移效率沒有被轉(zhuǎn)移的電荷量與原有電荷量之比，為轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移n個(gè)電極后的電荷量設(shè)為Qn，則總電荷轉(zhuǎn)移效率為考慮二相CCD，其m＝512、n＝2m＝1000。

37%90%工作頻率CCD為非穩(wěn)態(tài)器件，具有一定的工作頻率。CCD信號(hào)電荷的存儲(chǔ)時(shí)間應(yīng)小于少數(shù)載流子的壽命τ，又應(yīng)保證最大轉(zhuǎn)移效率（設(shè)保證轉(zhuǎn)移效率的最短時(shí)間為t2），則對(duì)于三相CCD最后，可得到CCD的工作頻率范圍為光譜特性現(xiàn)在固件攝象器件中的感光元件都是用半導(dǎo)體硅材料來作的，所以靈敏范圍為0.4～1.15μm左右，但光譜特性曲線不象單個(gè)硅光電二極管那么銳利，峰值波長(zhǎng)為0.65～0.9μm左右。CCD圖像傳感器的分辨率CCD所能分辨的最小間距就是像元間距。對(duì)于線陣CCD器件，若像元間距為15um,則極限分辨率為面陣CCD由于水平方向和垂直方向像元間距不同，故分辨率也不同。電荷耦合攝像器件（CCID）實(shí)用固體攝象器件都是在一塊硅片上同時(shí)制作出光電二極管陣列和CCD移位寄存器兩部分。光電二極管陣列專門用來完成光電變換和光積分，CCD移位寄存器用來完成光生電荷轉(zhuǎn)移輸出，形成視頻信號(hào)。根據(jù)光敏象素的排列方式，CCD攝象器件分為一維線陣列和二維面陣列兩大類。線陣CCID結(jié)構(gòu)單側(cè)傳輸線陣CCID雙側(cè)傳輸線陣CCID二維CCID：幀傳輸結(jié)構(gòu)FrameTransfer二維CCID：行間傳輸結(jié)構(gòu)InterlineTransfer二維CCID：幀行間傳輸結(jié)構(gòu)

FrameInterlineTransfer自掃描光電二極管列陣SSPD光電二極管有兩種列陣形式。一種為普通二極管列陣，一端連接在一起，另一端各自單獨(dú)引出，特性與分立光電二極管完全相同，像元數(shù)較少，只有幾十位，通常稱為連續(xù)工作方式；另一種就是自掃描光電二極管列陣（SSPD），內(nèi)部集成了數(shù)字移位寄存器，工作方式與普通光電二極管不同，為電荷存儲(chǔ)方式。連續(xù)工作方式N個(gè)光電二極管排成一列，檢測(cè)一維圖像信息。需N+1個(gè)引線，位數(shù)不能太多，一般用于64位以下。電荷存儲(chǔ)工作方式（1）充電準(zhǔn)備（2）曝光過程（3）再充電過程，獲得視頻輸出。RL的壓降最大值為RL的電流為電荷存儲(chǔ)工作方式SSPD中，開關(guān)K由時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管實(shí)現(xiàn)，所有光電二極管的輸出連接在一起組成公共的視頻輸出線。SSPD的結(jié)構(gòu)原理（1）N位光電二極管（2）N個(gè)開關(guān)（3）N位數(shù)字移位寄存器ＣＭＯＳ圖像傳感器ＭＯＳ圖像傳感器退出市場(chǎng)的原因噪聲大、感光度低ＣＭＯＳ圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)1）在像素內(nèi)放大信號(hào)電荷，不易受噪聲的影響；2）各像素的信號(hào)利用選擇的方式讀出，讀出的順序易改變，具有較高的掃描自由度。ＣＭＯＳ與CCD結(jié)