CCD器件新技术

第三章 CCD 器件新技术 第三章第三章 CCD CCD 器件新技术器件新技术 CCD(Charge Coupled Device)电荷耦合器件自美国贝尔实验室研制成功以来，随着半 导体技术、微电子技术的发展，其自身技术日臻成熟，应用领域不断拓展。 CCD 目前已广 泛应用于摄像、摄影、信息处理和存储等方面，而主要用途是用来做图像传感器 (见图 3— 1)，在 CCD 摄像机、数字相机和扫描仪等现代影像产品中大显身手。其中在摄像机中的成 功应用，是 CCD 技术打响的第一炮，CCD 从此一鸣惊人，声誉远播。 CCD 摄像机具有以往摄像管摄像机所不具备的诸多优点： 体积小、重量轻、坚固耐用、 功耗低、无磁场干扰、无重合误差。此外，CCD 摄像机图像重现好，全区域无几何失真， 并且不会发生灼伤、彗尾和图像残留现象。 图 3-1 CCD 图像传感器 3-1 CCD3-1 CCD 器件的工作原理器件的工作原理 CCD 摄像元件和摄像管的工作原理一样，是利用某种水电效应，首先将入射光转变成 对应的光电荷，并把光电荷暂时存储在像素的微小静电容上，然后通过固体扫描方式将信 号读出。CCD 摄像元件具备光电变换、光电荷存储和固体扫描三个基本功能。其中比较特 殊的是固体扫描方式。它和摄像管的扫描方式不同，是利用电子的转换、移位来完成扫描 过程的。在 CCD 摄像元件的硅基片上镶嵌排列着许多各自独立的像素，通过在电路上施加 扫描脉冲将存储在像素上的光电荷按顺序读出。 CCD 的结构就像一排排输送带上并列放置的小桶，光线就像雨滴撤入各个小桶中，每 18 数码影像技术与设备 个小桶代表一个像素。快门开启到关闭的拍摄过程，其实就是按一定的顺序测量某一短暂 的时间内，小桶中落进了多少“光滴” ，并形成相应的数据文件(参见图 3-2)。一般的 CCD 每原色的亮度用8 位数据来记录，即其小桶上的刻度有28 格，也有的是10 位甚至 12 位， 更高的色彩位数在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线条件比较差时，能够记录下丰富 的暗部细节层次。 图 3-2 CCD 的结构原理示意图 早期的 CCD 是隔行扫描的。同一时刻，每两行小桶只有一行被测量，这样可以提高快 门速度，但图像精度大为降低。随着技术的进步，新的CCD 一般都是逐行扫描的，人们已 能让 CCD 统计出，在几十分之一秒甚至几千分之一秒的时间里落进各个 “小桶”的“光滴” 量。以数字摄像机为例，在CCD 接收板上纵横排列集成有几十万个、几百万个甚至上千万 个光电二极管及译码寻址电路。通过CCD 器件，数字摄像机将镜头传来的光线转换成电信 号，再经过 A／D 转换成数字量送到存储单元保存起来。当光线经镜头汇聚成像照在 CCD 上时，每个光电二极管会因受到的光强的不同而耦合出不同数量的电荷。通过译码电路可 取到每一个光电二极管上耦合出的电荷而形成电流， 该电流经 A／D 变换即形成一个二进制 数字量，该数字即对应一个像素，实际中二极管数量通常大于图像像素数量，兆数字量像 素的集合，即构成了数字图像。接下来就是如何进一步处理、保存这些数字。 CCD 的像素 数和面积是决定画质的重要因素。像素数越多、面积越大，图像质量越高。此外， CCD 的 像素形状对画质也有影响。早期的电视摄像机所用的是竖长型画面 CCD，由于电脑的画面 是由正方型的像素构成的， 从 CCD 直接输入到电脑的图像会变成宽型。 为了正确表现图像， 需要经过软件进行一定比例的修正，这样一来图像会有一定程度的失真。因此，目前数字 摄像机所用的是专门设计的正方像素CCD。 为了更准确地了解CCD 的工作原理， 下面以三相CCD 和二相 CCD 为例进一步加以说明。 19 第三章 CCD 器件新技术 电荷耦合器件CCD(Charge-CoupledDevice)是在MOS器件的基础上发展起来的一种新 型器件，最突出的特点在于它是以电荷作为信号，而其它大多数器件则是以电流或者电压 作为信号。它的基本功能是电荷存储和电荷转移，因此CCD 工作过程中的中心问题是信号 电荷的产生、存储、转移和输出。 3-1-1 CCD3-1-1 CCD 的基本结构的基本结构 CCD 电荷耦合器件是由一行紧密排列在硅衬底上的许多个MOS 电容器构成的。截面图 如图 3—3 所示。其中Φ1Φ 2Φ 3 为转移电极，当Φ1Φ2Φ3 加正偏压时，P 型硅衬底中的 多数载流子(空穴)受到排斥而离开Si 一 Si02 界面，形成耗尽层(也称势阱)，图中的阴 影区所示。当出现耗尽层时，表面电位比热平衡时高，对电子来讲势能较低，偏压越高， 会使耗尽层向 P 型硅衬底扩展越深。图3 一 3 中，Φ 3 Φ2Φ 1，所以势阱为阶梯状， Φ3 下的势阱最深。若这时由于热激发而产生电子一空穴对，则空穴将流入衬底，电子则聚集 到势能最低的势阱里。因此，当用这些势阱来存储信号电荷时，应在热激发产生的电子来 不及聚集的时候将其进行转移。 3-1-2 CCD3-1-2 CCD 的基本工作原理的基本工作原理 一、信号电荷的注入 CCD 中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。 1．电注入 CCD 是以电荷为信号的器件，所谓电注入就是CCD 通过输入结构对信号电压或电流进 行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。 电注入的方法较多，这里仅介绍其中的动态电流注入法。如图 3—4 所示，输入控制 极 IG 加正的直流电压以保持开启并作为基准电压。模拟信号Vin 加在输入扩散极ID 上， 当 Φ 1 为高电平时，与IG 邻接的 Φ1 电极好象 MOS 管的“漏极” ，ID 好象是 MOS 管的“源 极” ，于是有电流自ID 流至 Φ 1 电极，并以电荷形式注入Φ1 电极下的势阱里。注入的电 20 输入扩散极 输入控制极 Ф 1 + Ф 2 Ф 3 Ф 1 Ф 2 Ф 3 Ф 1 n+ SiO2 n P-Si 图 3 一 3 CCD 器件截面图 数码影像技术与设备 荷量与采样时间成正比。 2．光注入 光注入实际上就是CCD 将光信号变为电信号的过程，即光电变换。它是利用半导体光 照产生载流子的过程来实现的。 由于 CCD 采用的电极结构， 绝大多数都具有一定的透光性， 所以，投射到 CCD 上面的光线有一部分能够到达衬底材料的表面层。当光照射在半导体上 时，电子吸收光能并从一个能态跃迁到另一个较高能态，产生电子——空穴对。这时空穴 将流向衬底，电子被势阱收集，作为信号电荷。信号电荷收集的多少，取决于该点的光照 强度。 二、电荷的转移 Ф 1 Ф 2 Ф 3 Ф 1 Ф 2 Ф 3 Ф 1 Ф 2 Ф 3 图 3-4 动态电流注入法 Vin ~ ID IGФ 1 Ф 2 Ф 1 Ф 2 Ф 3 t1t2t3 (a) t=t1 (b) t=t2 (c) t=t3 图 3—5 CCD 器件中的存储电荷移位过程 21 第三章 CCD 器件新技术 电荷的转移通过在转移电极上加相应的驱动脉冲来实现的。 这里仅以三相 CCD 和二相 CCD 来说明 CCD 的电荷转移过程。 1．三相 CC0 的电荷转移 图 3—5 所示为三相 CCD 中存储电荷的移位过程。三相移位脉冲分别加到Φ