CCD圖像傳感器
摘 要
電荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)自70年代初誕生以來，已迅速發(fā)展成為最常用的固體圖像傳感器，且廣泛應用于科技、教育、醫(yī)學、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費領域。它是圖像采集與數(shù)字化的關鍵器件。CCD直接將光學圖像轉換為電荷信號，以實現(xiàn)圖像的存儲、處理和顯示。其優(yōu)點體現(xiàn)在4個方面：1）體積小，重量輕，能耗少，工作電壓低，抗沖擊與振動，壽命長；2）靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；3）響應速度快，刷新時無殘留痕跡，攝像啟動快；4）利用VLSI技術生產(chǎn)，象素密度高，尺寸精確，批量生產(chǎn)成本低。
本文先從存儲電荷、電荷轉移、電荷輸出、電荷注入四方面先介紹了CCD的工作原理，然后介紹了CCD圖像傳感器主要性能參數(shù)，之后就不同結構形式CCD圖像傳感器的結構、工作過程、選擇依據(jù)進行說明，最后列舉了一些線陣CCD攝像器件的實例，并介紹CCD圖像傳感器的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：CCD圖像傳感器，CCD性能參數(shù)；CCD結構形式
一、CCD的工作原理
CCD不同于多數(shù)以電流或電壓為信號的其它器件，其突出特點是以電荷為信號。工作過程主要包括信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。一個完整的CCD器件由光敏元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。
CCD工作時，在設定的積分時間內，光敏元對光信號進行采樣，將光的強弱轉換為各光敏元的電荷量。取樣結束后，各光敏元的電荷在轉移柵信號驅動下，轉移到CCD內部的移位寄存器相應單元中。移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖像顯示器或其它信號存儲、處理設備中，可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理。
1．CCD電荷存儲
CCD是由金屬—氧化物—半導體（Metal-Oxide-Semiconductor）簡稱MOS構成的密排器件。這種MOS結構，一般是在P型（或N型）Si單晶的襯底上生長一層100~200nm的層，再在層上沉積具有一定形狀的金屬（一般是金屬鋁）或摻雜多晶硅電極。其中，“金屬”為層上沉積的金屬或摻雜多晶硅電極，稱為“柵極”；半導體硅作為底電極，俗稱“襯底”；“氧化物”為兩電極之間夾的絕緣體。MOS光敏元結構圖如圖1-1所示。
圖1-1 MOS光敏元結構
以P型半導體為例。當向柵極加正向偏壓（或用光學系統(tǒng)將景物聚焦在器件表面）時，P型硅襯底中多數(shù)載流子—空穴被排斥，形成耗盡區(qū)，當VG（光強）足夠大時，載流子深度耗
盡，甚至在半導體表面形成反型層。電子在那勢能較低，形成了一個勢阱。于是，當附近存在自由電子時，自由電子就會吸引電極下方附近。 這樣的MOS電容就有了存儲電荷（電子）的能力，勢阱的深淺決定存儲電荷能力的大小。
2. CCD電荷轉移
為了實現(xiàn)CCD中信號電荷的轉移，必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，電荷能相互耦合。根據(jù)加在MOS電容上的電壓越高產(chǎn)生的勢阱越深的原理，通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。CCD中電荷的轉移必須按照確定方向，為此，在MOS陣列上所加的各路電壓脈沖必須嚴格滿足相位要求，使得任何時刻，勢阱的變化總是朝一個方向。
通常把CCD電極分為幾組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD內部結構決定。通常有二相、三相、四相CCD。四相CCD與三相、二相器件相比，有利于提高轉移效率，能適應更高的時鐘頻率。圖1-2為電荷傳輸示意圖。1-2(a)圖是一個三相二位CCD，1-2(b)圖給出了加在柵極的電壓值，1-2(c)圖是在1-2(b)圖所示時鐘波形驅動下，勢阱中電荷的分布圖。
1-2 電荷傳輸示意圖
3.CCD電荷輸出
CCD輸出結構是將CCD傳輸和處理的信號電荷變換為電流或電壓輸出。其輸出端也是由一個二極管（OD）和一個輸出柵極（OG）組成。一般在輸出柵（OG）和二極管（OD）上外加電壓使輸出二極管反偏，于是勢阱中的電荷包被反偏二極管結電容所收集。當輸出二極管上加負載后，可獲得輸出電壓。
圖1-3為浮置柵結構輸出電路，浮置柵是指在P型硅襯底表面用V族雜質擴散形成小塊的區(qū)域，當擴散區(qū)不被偏置，其處于浮置狀態(tài)。
圖1-3 浮置柵結構輸出電路
其中，OG：輸出柵，F(xiàn)D：浮置擴散區(qū)，R：復位柵，RD：復位漏，T：輸出場效應管。
4.CCD電荷注入
CCD的電荷注入方式有電信號注入和光信號注入兩種。
在光纖系統(tǒng)中， CCD接收的信號是由光纖傳來的光信號，即采用光注入CCD。當光照到CCD時，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，在柵極電壓的作用下，多數(shù)載流子（空穴）流入襯底，少數(shù)載流子（電子）被收集在勢阱中，存儲起來。這樣能量高于半導體禁帶的光子，可以用來建立正比于光強的存儲電荷。
電注入是指CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉換為信號電荷。電注入的方法很多，一般常用的是電流注入法和電壓注入法。
二、CCD圖像傳感器的主要性能參數(shù)
1.轉移效率和轉移損失率
電荷包從一個柵極勢阱轉移到下一個柵極勢阱時，有部分的電荷轉移過去，余下ε部分沒有被轉移。η即為電荷轉移效率，相應地，ε稱為損失率。根據(jù)電荷守恒定律有：
（1）
電荷包從一個勢阱向另一個勢阱轉移時，需要一個過程。像素中的電荷在離開芯片之前要在勢阱間移動上千次或更多，經(jīng)n次轉移后的電荷輸出量為：
（2）
上千次轉移后，即使接近1，總的效率仍然很低，這要求電荷轉移效率極其高，否則光電子的有效數(shù)目會在讀出過程中損失嚴重。引起電荷轉移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲，轉移損失造成信號退化。采用“胖零”技術可減少這種損耗。
2.分辨率
分辨率是指攝像器件對物象中明暗細節(jié)的分辨能力。CCD的分辨率與每個像元的尺寸和像元之間的間距有關，CCD器件像素數(shù)越多，分辨率越高。當像素數(shù)一定時，轉移損失率對空間分辨率的影響也很大。另外，若光生載流子產(chǎn)生在離耗盡層較遠的地方時，產(chǎn)生橫向擴散，引起像素之間的相互干擾，造成空間分辨率降低。在CCD像素數(shù)目相同的條件下，像素點大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點有更好的電荷存儲能力，因此可提高動態(tài)范圍及其它指標。
3. 暗電流與噪聲
CCD在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱為暗信號，即暗電流。暗電流產(chǎn)生
的原因有：半導體襯底的熱產(chǎn)生、 耗盡區(qū)的產(chǎn)生復合中心的熱激發(fā)載流子（主要）、 耗盡區(qū)邊緣的少子熱擴散、 界面上的產(chǎn)生中心的熱激發(fā)。暗電流會限制器件的低頻響應，減小動態(tài)范圍，所以應盡量縮短信號電荷的存儲與轉移時間。同時，暗電流還會引起固定圖像噪聲，暗電流在整個成像區(qū)不均勻時使像面嚴重畸變。當CCD光敏元處于積分工作狀態(tài)時，暗電流積分形成暗信號圖像疊加到光信號圖像上，引起固定圖像噪聲，出現(xiàn)個別暗電流尖峰，則一幅清晰完整的圖像就會產(chǎn)生某些“亮條”或“亮點”。
4.光譜靈敏度
在一定光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）即為靈敏度。CCD的光譜靈敏度主要由CCD器件響應度和各種噪聲因素共同決定。由于CCD結構復雜，噪聲源也較多，主要有光子噪聲、暗電流噪聲、表面捕獲噪、肥零噪聲和輸出電路噪聲等。量子效率表征CCD芯片對不同波長光信號的光電轉換本領。不同工藝制成的CCD芯片，其量子效率不同。靈敏度還與光照方式有關，背照CCD的量子效率高，光譜相應曲線無起伏，正照CCD由于反射和吸收損失，光譜相應曲線上存在若干個峰和谷。
5.動態(tài)范圍
對于光照度有較大變化時，器件仍能線性響應的范圍。上限由電荷最大存貯容量決定，下限受噪聲所限制，通常在103~104數(shù)量級。
6.線性度
線性度是指在動態(tài)范圍內，輸出信號與曝光量的關系是否成直線關系。弱信號下線性度較差（器件噪聲影響大，信噪比低，引起一定離散性），動態(tài)范圍中間區(qū)域非線性度基本為0。
7.光譜響應
我們將最大響應值歸一化為100％所對應的波長，即峰值波長。通常將10％（或更低）的響應點所對應的波長稱為截止波長，有長波端和短波端截止波長，兩者之間包括的波長范圍為光譜響應范圍。CCD器件的光譜響應范圍與所用材料有關。Si材料CCD光譜響應曲線與Si光電二極管相同。
三、CCD圖像傳感器的結構形式及選擇依據(jù)
1. 線陣CCD器件
線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應的構成一個主體,在它們之間設有一個轉移控制柵,如下圖3-1（a）所示。實用的線型CCD圖像傳感器為雙行結構，如下圖3-1（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，就形成了原來光敏信號電荷的順序。
圖3-1 線型CCD圖像傳感器
線陣CCD器件多用于傳真拍攝圖片資料以及工業(yè)上的一維變量檢測，如箱內液面高度控制、金屬絲拉細時直徑檢測等。如用它測量二維變量，第二維運動需用光機掃描方式。
2.面陣CCD器件
面型CCD圖像傳感器可分為幀轉移成像器件及行轉移成像器件兩種。
幀轉移的面陣CCD成像器件有三部分組成：感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉移區(qū)。如圖3-2所示：
圖3-2 幀轉移CCD成像器件結構
在正常垂直回掃周期內，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結束后，感光區(qū)回復到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內，存儲區(qū)的整個電
荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。
行轉移成像器件結構如圖3-3。每一列CCD成像器件所存儲的信號電荷在轉移柵控制下轉移到垂直移位寄存器中，然后逐行轉移到水平移位寄存器沿水平方向輸出。
圖3-3 行轉移CCD成像器件結構
幀轉移面陣CCD一幀一幀傳輸電荷信號，器件靈敏度高，但成本也高，它適用于弱光攝像。
行轉移面陣CCD價格較低，但是其輸出信號噪聲比也低，與幀轉移器件相比能適用于較強光攝像系統(tǒng)。
3.紅外CCD焦平面陣列器件
用硅做成的CCD成像器件在可見光及很近的紅外波段能工作地非常好。然而對于大部分紅外區(qū)域，硅幾乎是透明的，在紅外區(qū)必須發(fā)展相應的成像器件。將陣列器件放置于紅外光學系統(tǒng)的焦平面上，同時完成探測與信息處理兩種功能，對于紅外系統(tǒng)具有更大的適應性，這種器件通常稱為紅外焦平面器件。在使用時系統(tǒng)中只需一個前置放大器，既減少了紅外系統(tǒng)的復雜性，又大大提高了器件陣列密度，從而改進了系統(tǒng)的性能，提高了可靠性，降低了成本。因而，紅外焦平面器件是目前紅外探測技術發(fā)展的重點，也是近幾年軍民用先進技術裝備的重要器件。
