ccd傳感器-2

1、CCD圖像傳感器,,電荷耦合器件,電荷耦合器件(charge—Coupled Devices)簡(jiǎn)稱 CCD，是1970年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制出來(lái)的新型固體器件。作為MOS技術(shù)的延伸而產(chǎn)生的一種半導(dǎo)體器件。,Fig.1貝爾實(shí)驗(yàn)室George Smith和Willard Boyle將可視電話和半導(dǎo)體泡存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型,Fig.2 現(xiàn)代CCD芯片外觀,CCD作為一種多功能器件，有三大應(yīng)用領(lǐng)域：攝像、信號(hào)處理和存貯。特別是在攝像

2、領(lǐng)域，作為二維傳感器件， CCD與真空攝像器件相比，具有無(wú)灼傷，無(wú)滯后，體積小，低功耗、低價(jià)格、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。,廣播級(jí)電視攝像機(jī)中， CCD攝像機(jī)可與真空器件攝像機(jī)“平分秋色”。而在閉路電視、家庭用攝像方面， CCD攝像機(jī)則呈現(xiàn)出“一統(tǒng)天下”的趨勢(shì)。在工業(yè)、軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域中的應(yīng)用，如方位測(cè)量、遙感遙測(cè)、圖像制導(dǎo)，圖像識(shí)別等方面更呈現(xiàn)出其高分辮力，高準(zhǔn)確度，高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn)。,CCD攝像機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景,由于CCD攝像

3、機(jī)所具有的各種突出優(yōu)點(diǎn)，所以從發(fā)明至今僅20多年其發(fā)展速度驚人。近10年來(lái)，CCD攝像機(jī)的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應(yīng)用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。具不完全統(tǒng)計(jì)，1997年—1998年僅中國(guó)大陸彩色和黑白CCD攝像機(jī)的用量就達(dá)60-70萬(wàn)臺(tái)，這些產(chǎn)品大多數(shù)來(lái)自國(guó)外或者由臺(tái)灣地區(qū)和國(guó)內(nèi)組裝。從1998年日本出版的《技術(shù)市場(chǎng)》雜志獲悉,世界上已把CCD列為未來(lái)10年可能增益100倍的高技術(shù)產(chǎn)品.據(jù)

4、國(guó)外專家統(tǒng)計(jì),1997年CCD世界市場(chǎng)規(guī)劃為16億美元,而實(shí)際上1997年為50億美元,1998年為65億美元.日本松下公司對(duì)CCD攝像機(jī)的世界市場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè),如表1所示。,一、概述,由于CCD攝像機(jī)所具有的各種突出優(yōu)點(diǎn)，所以從發(fā)明至今僅40多年其發(fā)展速度驚人。近10年來(lái)，CCD攝像機(jī)的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應(yīng)用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。,一、概述,CCD攝像機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

5、1、CCD攝像機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域    CCD攝像機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)展，應(yīng)用技術(shù)的深化又促進(jìn)CCD攝像機(jī)的多樣化產(chǎn)品的生產(chǎn)?？傮w有MOBILE、PUBLIC、HOME三個(gè)方面，其中有：,（1）Camcorder攝錄一體化CCD攝像機(jī)。（2）TV phone,（3）PC camera到21世紀(jì)初葉，隨著電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，PC Camera作為電腦前端和圖像輸入系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)將以不可阻擋的發(fā)展勢(shì)頭深入到

6、各種電腦應(yīng)用的方方面面，也會(huì)很快進(jìn)入家庭。借助電腦網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音、視頻同步遠(yuǎn)程通訊。到2000年，我國(guó)PC機(jī)年銷量為1056萬(wàn)臺(tái)，僅按計(jì)算機(jī)配套率20%估算，PC camera的需求量將為211.2萬(wàn)臺(tái)。,（4）Door phone隨著住宅商品化，各種現(xiàn)代化住宅樓像雨后春筍般撥地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上來(lái)，許多住宅可在室內(nèi)及時(shí)地看到來(lái)訪客人的實(shí)時(shí)圖像和室外局部區(qū)域的情況，也為防范壞人入室作案起到有效的監(jiān)控作用。,（5）Scan

7、ner由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，所以為了提高各種資料、文字的輸入速度，可采用各種掃描儀，讀取經(jīng)過(guò)文字識(shí)別的資料，可將讀入的文字資料轉(zhuǎn)換成文件存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行編輯，以便在網(wǎng)絡(luò)上交流。按PC機(jī)配套率10%計(jì)算，可需線陣和面陣CCD傳感器105.6萬(wàn)臺(tái)。,（6）Bar Code Register（BCR）條形碼記錄器在各種商業(yè)流通領(lǐng)域如商場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)連鎖店等普遍采用。條形碼物品記錄識(shí)別系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可隨時(shí)取得各種數(shù)據(jù)。（7）Medical醫(yī)用顯微內(nèi)

8、窺鏡利用超小型的CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù)，減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦。同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。,（8）Vehicle Camera在各種車輛中加裝CCD攝像機(jī)可以使駕駛?cè)藛T借助車內(nèi)CCD攝像機(jī)、車上的后視鏡系統(tǒng)和駕駛員前面的顯示器，不僅可隨時(shí)看到車內(nèi)的情況，而且可在倒車時(shí)觀察后面的道路情況，在向前行進(jìn)過(guò)程中也能隨時(shí)看到后方車輛所保持的距離，提高了行車安全。,（9

9、）Closed Circuit Television（CCTV）CCTV是近幾年被大家廣泛注意的電視監(jiān)控系統(tǒng)，目前，已發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。以CCD攝像機(jī)為主要前端傳感器，帶動(dòng)了一系列各種配套的主機(jī)和配套設(shè)備以及傳輸設(shè)備的研制和生產(chǎn)企業(yè)。,（11）Personal Data Assistant（PDA）個(gè)人數(shù)據(jù)秘書(shū)系統(tǒng)是一種體積小于筆記本的電腦，是功能齊全的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以完成多種數(shù)據(jù)管理功能，并可借助移動(dòng)電話上的Internet網(wǎng)進(jìn)行

10、遠(yuǎn)程傳送資料、發(fā)傳真等。,（12）Digital Signal Camera（DSC）數(shù)碼照相機(jī)是近兩三年投放市場(chǎng)的一種新型照相機(jī)。由CCD傳感器采集的圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后，可被記錄在磁卡上，由計(jì)算機(jī)讀取磁卡上的圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)出圖像，并可借助各種圖像處理軟件進(jìn)行圖像編輯和圖像處理。,1 CCD的物理基礎(chǔ),CCD是基于 MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)電容器在非穩(wěn)態(tài)下工作的一種器件。因此，必須了解 MOS電容器的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工作及其與

11、CCD的關(guān)系。,1.1 穩(wěn)態(tài)下的 MOS電容器 (一)理想 MOS系統(tǒng),半導(dǎo)體作為底電極，稱為“襯底”。襯底分為 P型硅襯底和 N型硅襯底。大多數(shù) CCD選用 P型硅襯底。下面以 P型硅襯底 MOS電容器為參照進(jìn)行說(shuō)明。,MOS電容器的狀態(tài)是隨柵極電壓 VG的變化而不同的。在 VG為零時(shí)， Si表面沒(méi)有電場(chǎng)的作用，其載流子濃度與體內(nèi)一樣。 Si本身呈電中性，電子能量從體內(nèi)到表面都相等，所以能帶是平坦的，不存在表面空間電荷區(qū)。這

12、種狀態(tài)稱為 “平帶狀態(tài)”。,1． VG ＜0的多數(shù)載流子積累狀態(tài)當(dāng)在金屬柵極上加上直流負(fù)偏壓，即 VG ＜0時(shí)，電場(chǎng)使 Si內(nèi)一部分可移動(dòng)空穴集中到 Si—SiO2界面，在 Si表面形成多數(shù)載流子積累層。這種狀態(tài)稱為“積累狀態(tài)”。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)， VG的一部分降落在 SiO2層內(nèi)，其余部分將作用于半導(dǎo)體表面而引起表面勢(shì)Vs。由于Vs ＜0，則-eVs ＞0，表面處能帶向上彎曲，從而導(dǎo)致表面附近的價(jià)帶中比體內(nèi)有更多的空穴，使表面呈

13、現(xiàn)強(qiáng) P型。,為了保持 MOS系統(tǒng)的電中性條件，金屬柵極上的負(fù)電荷與半導(dǎo)體積累層中的正電荷正好相互補(bǔ)償。但金屬的費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)并不 相等，即EFM ≠EFS ，其差值正好是 VG與電子電荷的乘積。,2． VG ＞0的多數(shù)載流子耗盡狀態(tài) 當(dāng)在柵電極上加上 VG ＞0的小電壓時(shí)， P型襯底中的空穴從界面處被排斥到襯底的另一側(cè)，在 Si表面處留下一層離化的受主離子，這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”。這種情況相當(dāng)于 MOS

14、電容器充負(fù)電。,該充電區(qū)域(空間電荷區(qū))稱為耗盡層。此時(shí)表面勢(shì) VS＞0，則-e VS＜0，表面處能帶向下彎曲。,3． VG＞Vth＞0的反型狀態(tài) 在上述基礎(chǔ)上正電壓 VG進(jìn)一多增加，表面處能帶相對(duì)體內(nèi)進(jìn)一步向下彎曲，當(dāng) VG超過(guò)某一閾值時(shí)，將使得表面處電子濃度超過(guò)空穴濃度，已由 P型變?yōu)?N型。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。而從圖中還可看出，反型層到半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾有一層耗盡層。,從圖中的能帶看到，對(duì)表面反型層的電子

15、來(lái)說(shuō)，一邊是 SiO2絕緣層，它的導(dǎo)帶比半導(dǎo)體高許多。另一邊是彎曲的導(dǎo)帶形成的一個(gè)陡坡，其代表由空間電荷區(qū)電場(chǎng)形成的勢(shì)壘。,所以，反型層中的電子實(shí)際上是被限制在表面附近能量最低的一個(gè)狹窄區(qū)域。因此，常稱反型層為溝道。 P型半導(dǎo)體的表面反型層是由電子構(gòu)成的，所以稱為 N溝道。反之， N型半導(dǎo)體稱為 P溝道。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,u0,10V,10V,UG=5V,UG=10V,UG=15V,空勢(shì)阱,填充1

16、/3勢(shì)阱,全滿勢(shì)阱,MOS電容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量為：Q=Cox?UG?A,二、電荷耦合假定開(kāi)始有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為20V的第二個(gè)電極下面的勢(shì)阱里，其他電極上均加有大于閾值得較低電壓（例如2V）。設(shè)a圖為零時(shí)刻，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，各電極的電壓發(fā)生變化，第二個(gè)電極仍保持10V，第三個(gè)電極上的電壓由2V變?yōu)?0V，因這兩個(gè)電極靠的很近（幾個(gè)微米），它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來(lái)在第二個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。如圖b＆c

17、。若此后第二個(gè)電極上的電壓由10V變?yōu)?V，第三個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個(gè)電極下的勢(shì)阱中，如圖e。由此可見(jiàn)，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,a,,存有電荷的勢(shì)阱,b,2V,10V,2V10V,2V,2V,10V,10V,2V,2V,10V2V,10V,2V,2V,2V,

18、10V,2V,c,d,e,f,Ф1,Ф2,Ф3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,,,,,Time-slice shown in diagram,,,1.4 Charge Transfer,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,,,

19、,,,1.4 Charge Transfer,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,,,,,,1.4 Charge Transfer,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,,,,,,1.4 Charge Transfer,,,,,,,,,,,,,,+5V0

20、V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,,,,,,1.4 Charge Transfer,,,,,,,,,,,,,,+5V0V-5V,+5V0V-5V,+5V0V-5V,,,,,,,Charge packet from subsequent pixel entersfrom left as first pixel exits to the right.,,,1.4 Charge Tra