光固态图像传感器：原理与结构解析

光固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件组成。它的核心是电荷转移器件CTD（Charge Transfer Device），最常用的是电荷耦合器CCD（Charge Coupled Device）。

1）CCD的结构和基本原理

CCD由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图8.59所示。

图8.59　CCD的基本MOS单元结构

CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120 nm（1 200 Å）的SiO2层，再在SiO2层上依次沉积金属电极（A1）而构成金属-氧化物-半导体（MOS）的电容式转移器件。这种排列规则的MOS阵列再加上输入与输出端，便构成了CCD。

当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区。所谓的耗尽区是指在外加正偏压的作用下，金属电极排斥P型Si中的空穴，形成没有空穴载流子的区域。较高的正偏压形成较深的耗尽区，而其中的少数载流子（电子）则被吸收到最高正偏压电极下的区域内（图8.59中φ2电极下），形成电荷包。人们把加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层称为“势阱”，阱内可存储少子（少数载流子）。对于P型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压，少子为电子；而对于N型硅衬底的CCD器件，电极加负偏压，少子为空穴。

微课：CCD图像传感器电荷定向转移输出

CCD如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，非常类似于步进电机的步进控制方式，也有二相、三相等几种控制方法。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程，如图8.60所示。

图8.60　电荷在三相CCD中的转移过程

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三相控制是在线阵列的每一级（即像素）上有三个金属电极Pl、P2和P3，并在其上依次施加三个相位不同的时钟脉冲电压φ1、φ2、φ3，如图8.60（b）所示。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图8.60中采用电注入方式，输入二极管的S极加负电位，衬底接地，电子注入。当P1极施加高电位时，吸引电子，在P1下方产生电荷包（t＝t0）；当P2极上加上同样的高电位时（t＝t1），由于两电极下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布；而当P1回到低电位时（t＝t2），电荷包全部流入P2下的势阱中，然后，P3的电位升高，P2回到低电位（t＝t3），电荷包从P2下转到P3下的势阱中；t4时刻，P1高电位，P2、P3为低电位，电荷包流入下一级的P1势阱中。可见，经过一个时钟脉冲周期，电荷将从前一级的一个电极下转移到下一级的同号电极下。这样，随着时钟脉冲有规则的变化，少数载流子便从CCD的一端转移到另一端，然后通过终端输出二极管（反向偏置的PN结）收集少子，并送入前置放大器处理，便实现了电荷定向转移。

由于上述信号输出过程中没有借助扫描电子束，故称为自扫描器件。它与传统的电子束扫描真空摄像管相比，具有体积小、重量轻、使用电压低（＜20 V）、可靠性高和不需强光照明等优点，广泛地应用在微光电视摄像、信息存储和处理等方面。

2）线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器由一列感光单元（光敏元件）与一列CCD并行而构成一个主体，在它们之间有一个转移控制栅，如图8.61所示。每个感光单元都与一个电荷耦合元件相对应。

图8.61　线型CCD图像传感器（单行结构）

每个感光单元是一个耗尽的MOS电容器，具有一个梳状公共电极，以及被称为沟阻的高浓度P型区，使各个感光单元在电气上彼此隔离，如图8.62所示。为使MOS电容器的电极不遮住入射光线，光敏元件的电极采用全透光的金属氧化物制造。(www.xing528.com)

图8.62　感光单元（光敏元件）的结构

光照在光敏单元上，在光敏元内产生光生电子-空穴对，由于在梳状电极上加高电位，光敏元收集的光电荷是光生电子，从而实现光积分。各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收到的光照强度成正比，也与光积分时间成正比。在光积分结束的时刻，转移栅上的电压提高（平时为低电压），形成电子通道；而CCD对应的电极也同时处于高电压状态，然后降低梳状电极电压，这样便确定了光电子的流向，于是各光敏元件中所积累的光生电荷并行地转移到移位寄存器中（CCD基本单元）。当光电荷转移完毕后，转移栅电位降低，使电子通道消失，而梳状电极电压回复到原来的高电压状态，以迎接下一次光积分周期。同时，在CCD上加时钟脉冲（φ1、φ2、φ3），将存储的电荷迅速从CCD中定向转移，并在输出端串行输出。这个过程重复进行就得到相继的行输出，从而读出电荷图形。

为避免在电荷转移到输出端的过程中产生寄生的光积分，CCD上必须加一层不透光的覆盖层，以避免光照。

以尺寸检测为例，长度为L的物体，在光照射时，使敏感元件1、7、8、9、10感受到入射光，并进行光积分，而敏感单元2、3、4、5、6则由于物体的遮拦，不能感受到入射光，在其下没有光生电荷产生，如图8.63所示。这样，当光积分结束后，经过转移栅的并行转移和CCD在时钟控制下的串行输出后，输出端的输出为“1111000001”。如果已知单个敏感单元的尺寸，则物体的长度上就可求出。

图8.63　线型CCD图像传感器检测一维物体尺寸

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目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，在一排敏感元件的两侧，布置有两排屏蔽光线的移位寄存器，如图8.64所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上下方的移位寄存器中，然后信号电荷在时钟脉冲的作用下自左向右移动，从两个移位寄存器出来的脉冲序列，在输出端交替合并，按照信号电荷在每个光敏单元中按原来的顺序输出。

图8.64　线型CCD图像传感器（双行结构）

图8.65所示是实际的线型CCD图像传感器。

图8.65　线型CCD图像传感器

3）面型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器只能在一个方向上实现电子自扫描，即只能用于一维检测系统。为获得二维图像，除了必须采用庞大的机械扫描装置外，另一个突出的缺点是每个像素的积分时间仅相当于一个行时，信号强度难以提高。为了能在室内照明条件下获得足够的信噪比，有必要延长积分时间，于是出现了类似于电子管扫描摄像管那样在整个帧时内均接受光照积累电荷的面型CCD图像传感器。这种传感器在x、y两个方向上都能实现电子自扫描。

面型CCD图像传感器在感光区、信号存储区和输出转移部分的安排上，主要有图8.66所示的三种方式。

图8.66　面型CCD图像传感器的各种结构

图8.66（a）所示为由行扫描发生器将光敏单元内的信息转移到水平方向上，然后由垂直方向的寄存器向输出检波二极管转移的方式。这种面型CCD易引起图像模糊。图8.66（b）所示的方式具有公共水平方向电极的感光区与相同结构的存储区。该存储器为不透光的信息暂存器，在电视显示系统的正常垂直回扫周期内，感光区中积累起来的电荷同样迅速地向下移位进入暂存区内。在这个过程结束后，上面的感光区回复光积分状态。在水平消匿周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每一次将底部一行的电荷信号移位至水平读出器，然后这一行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频输出。当整幅视频信号图像以这种方式自存储器移出并显示后，就开始下一幅的传输过程。这种面型CCD图像传感器的缺点是需要附加存储器，但它的电极结构比较简单，转移单元可以做得较密。图8.66（c）表示一列感光区和一列不透光的存储器（垂直转移寄存器）相间配置的方式，这样帧的传输只要一次转移就能完成。在感光区光敏单元积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储器。之后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中，接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频输出信号。这种结构的器件操作比较简单，但单元设计较复杂，且转移信号必须不透光，使感光面积减小30%～50%。由于这种方式所得的图像清晰，是电视摄像器件的最好方式。