CCD傳感器及其應用研究
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圖像傳感器是利用光電器件的光一電轉換功能，將其感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號“圖像”的一種功能器件。
固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導體襯底上布設的若干光敏單元與移位寄存器構成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡稱為“像素”或“像點”，它們本身在空間上、電氣上是彼此獨立的。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉換為與光強成比例的、大小不等的電荷包空間分布。然后利用移位寄存器的功能將這些電荷包在時鐘脈沖控制下實現讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時序脈沖序列。
固態(tài)圖像傳感器與普通的圖像傳感器比，具有體積小、失真小、靈敏度高、抗振動、耐潮濕、成本低的特點。這些特色決定了它可以廣泛用于自動控制和自動測量，尤其是適用于圖像識別技術中。本文從分析固態(tài)圖像傳感器的原理出發(fā)，著重對它在測控及圖像識別領域進行分析和探討。
二、電荷禍合器件及工作原理
電荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices，簡稱CCD)，是固態(tài)圖像傳感器的敏感器件，與普通的MOS,TTL等電路一樣，屬于一種集成電路，但CCD具有光電轉換、信號儲存、轉移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等多種獨特功能。
電荷禍合器件CCD的基本原理是在一系列MOS電容器金屬電極上，加以適當的脈沖電壓，排斥掉半導體襯底內的多數載流子，形成“勢阱”的運動，進而達到信號電荷(少數載流子)的轉移。如果所轉移的信號電荷是由光像照射產生的，則CCD具備圖像傳感器的功能;若所轉移的電荷通過外界注入方式得到的，則CCD還可以具備延時、信號處理、數據存儲以及邏輯運算等功能。
電荷禍合器件CCD的基本原理與金屬一氧化物一硅(MOS)電容器的物理機理密切相關。因此。首先分析MOS電容器原理。
圖1是熱氧化P型Si(p-Si)襯底上淀積金屬而構成的一只MOS電容器，若在某一時刻給它的金屬電極加上正向電壓咋，p-Si中的多數載流子(此時是空穴)便會受到排斥，于是，在Si表面處就會形成一個耗盡區(qū)。這個耗盡區(qū)與普通的pn結一樣，同樣也是電離受主構成的空間電荷區(qū)。并且，在一定條件下，凡越大，耗盡層就越深。這時，Si表面吸收少數載流子(此時是電子)的勢(即表面勢V;)也就越大。顯而易見，這時的MOS電容器所能容納的少數載流子電荷的量就越大。據此，恰好可以利用“表面勢阱”(簡稱勢阱)這一形象比喻來說明MOS電容器在V;(或說在玲)作用下存儲(信號)電荷的能力。習慣上，把勢阱想象作一個桶，把少數載流子(信號電荷)想象成盛在桶底上的流體。在分析固態(tài)器件時，常常取半導體襯底內的電位為零，所以，取表面勢環(huán)的正值增方向朝下更方便(圖1(b))。
圖3 MOS電容器及其表面勢阱概念
CD的電荷(少數載流子)的產生有兩種方式:電壓信號注入和光信號注入。作為圖像傳感器，CCD接收的是光信號，即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片上時，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產生電子一空穴對。這時在柵極電壓的作用下，多數載流子(空穴)將流入襯底，而少數載流子(電子)則被收集在勢阱中，形成信號電荷存儲起來。
這樣高于半導體禁帶寬度的那些光子，就能建立起正比于光強的存儲電荷。
由許多個MOS電容器排列而成的CCD，在光像照射下產生光生載流子的信號電荷，再使其具備轉移信號電荷的自掃描功能，即構成固態(tài)圖像傳感器。
圖2是光導攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理比較。圖2ta)中，當入射光像信號照射到攝像管中間電極表面時，其上將產生與各點照射光量成比例的電位分布，若用電子束掃描中間電極，負載Rl上會產生變化的放電電流。由于光量不同而使負載電流發(fā)生變化，這恰是所需的輸出電信號。所用電子束的偏轉或集束，是由磁場或電場控制實現的。
圖2 光導攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理比較
失真度極小的固態(tài)圖像傳感器，非常適合測試技術及圖像識別技術。此外，固態(tài)圖像傳感器與攝像管比，還有體積小、重量輕、堅固耐用、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強以及耗電少等許多優(yōu)點，并且固態(tài)圖像傳感器的成本也較低。
三、固態(tài)傳感器分類、結構及特性
從使用觀點，可將固態(tài)圖像傳感器分為線型和面型固態(tài)圖像傳感器兩類。根據所用的敏感器件不同，又可分為CCD,MOS線型傳感器以及CCD,MOS面型傳感器等線型固態(tài)圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學文字識別技術等方面，面型固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展方向主要用作磁帶錄像的小型照相機。本文主要介紹工程測試中常用到的線型固態(tài)圖像傳感器結構。
圖3所示為線型固態(tài)圖像傳感器的結構。其感光部是光敏二極管線陣列，1728個PD作為感光像素位于傳感器中央，兩側設置CCD轉換寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇數號位的PD的信號電荷移往下側的轉移寄存器;偶數號位則移往上側的轉移寄存器。以另外的信號驅動CCD轉移寄存器，把信電荷經公共輸出端，從光敏二極管PD上依次讀出。
圖3 線型固態(tài)圖像傳感器的結構
圖4 高靈敏度線性傳感器截面構造
圖5 高靈敏度傳感器
①.調制傳遞函數MTF特性:固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應轉移部分組成的。固態(tài)的像素盡管己做得很小，并且其間隔也很微小，但是，這仍然是識別微小圖像或再現圖像細微部分的主要障礙。
②.輸出飽和特性:當飽和曝光量以上的強光像照射到圖像傳感器上時，傳感器的輸出電壓將出現飽和，這種現象稱為輸出飽和特性。產生輸出飽和現象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產生與積蓄一定極限的光生信號電荷所致。
③.暗輸出特性:暗輸出又稱無照輸出，系指無光像信號照射時，傳感器仍有微小輸出的特性，輸出來源于暗〔無照)電流。
④.靈敏度:單位輻射照度產生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度，它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關。
⑥.彌散:飽和曝光量以上的過亮光像會在象素內產生與積蓄起過飽和信號電荷，這時，過飽和電荷便會從一個像素的勢阱經過襯底擴散到相鄰像素的勢阱。這樣，再生圖像上不應
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