光电子器件ccd和.pptx
《光电子器件ccd和.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光电子器件ccd和.pptx(47页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第第6 6章章 ccd ccd和和cmoscmos成像器件成像器件6.1 图像传感器简介 6.1.1 图像传感器发展历史图像传感器发展历史 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠久,种类很多。早在1934年就成功地研制出光电摄像管(Iconoscope),用于室内外的广播电视摄像。但是,它的灵敏度很低,信噪比很低,需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。1947年制出的超正析像管(Imaige Orthico),的灵敏度有所提高,但是最低照度仍要求在2 000lx以上。1954年投放市场的高灵敏视像管(Vidicon)基本
2、具有了成本低,体积小,结构简单的特点,使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管,发展了彩色电视摄像机,使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸,1/2英寸,甚至于1/3英寸(8mm)靶面的彩色摄像机。然而,氧化铅视像管抗强光的能力低,余辉效应影响了它的采样速率。1976年,又相继研制出灵敏度更高,成本更低的硒靶管(Saticon)和硅靶管(Siticon)。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。1970年,美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件(CCD)的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段,使图像传
3、感器 从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点,而且它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且,它的体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的实地观测星球表面的图像,可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信息,可以观察人们不能直接观测的图像(如放射环境的图像,敌方阵地图像等)。CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产
4、品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。6.1.2 图像传感器的分类 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光与红外电视技术的发展,带动了机器视觉的发展,促进了公安刑侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。图像传感器按其工作方式可分为扫描型两类和直视型。扫描型图像传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后,通过相应的显示设备(如监视器)还
5、原成二维光学图像信号。视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能保证图像信息不产生失真,这种规则称为制式。例如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图像传输与处理过程中根据计算机接口方式的不同也规定了许多种类的制式。扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号(或称其为数字图像信号),存入计算机系统,并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此,扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的应用范围。直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将入射辐射图像通过外光电转化为电子图像,再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强,并利用
6、二次电子的发射作用进行电子倍增,最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理,即图像传感器的基本工作原理和典型应用问题。6.2 电荷耦合器件的结构和工作原理6.2.1mos结构特征CCD是一种半导体器件 图图9.7.1 MOS电容的结构电容的结构1金属金属 2绝缘层绝缘层SiO2上一页下一页返 回 CCDCCDCCDCCD的的的的MOSMOSMOSMOS结构结构结构结构P P P P型型型型SiSiSiSi耗尽区耗尽区耗尽区耗尽区电荷转移方向电荷转移方向电荷转移方向电荷转移方向12 2 2 23 3 3 3输出栅输出栅输出栅输出栅输入栅输入栅输入栅输
7、入栅输入二极管输入二极管输入二极管输入二极管输出二极管输出二极管输出二极管输出二极管 SiOSiOSiOSiO2 2 2 2当当当当向向向向SiOSiOSiOSiO2 2 2 2表表表表面面面面的的的的电电电电极极极极加加加加正正正正偏偏偏偏压压压压时时时时,P P P P型型型型硅硅硅硅衬衬衬衬底底底底中中中中形形形形成成成成耗耗耗耗尽尽尽尽区区区区(势势势势阱阱阱阱),耗耗耗耗尽尽尽尽区区区区的的的的深深深深度度度度随随随随正正正正偏偏偏偏压压压压升升升升高高高高而而而而加加加加大大大大。其其其其中中中中的的的的少少少少数数数数载载载载流流流流子子子子(电电电电子子子子)被被被被吸吸吸吸收
8、收收收到到到到最最最最高高高高正偏压电极下的区域内(如图中正偏压电极下的区域内(如图中正偏压电极下的区域内(如图中正偏压电极下的区域内(如图中1 1 1 1极下),形成电荷包(势阱)。极下),形成电荷包(势阱)。极下),形成电荷包(势阱)。极下),形成电荷包(势阱)。对于对于对于对于N N N N型硅衬底的型硅衬底的型硅衬底的型硅衬底的CCDCCDCCDCCD器件,电极加正偏压时,少数载流子为空穴。器件,电极加正偏压时,少数载流子为空穴。器件,电极加正偏压时,少数载流子为空穴。器件,电极加正偏压时,少数载流子为空穴。平带条件下的能带平带条件下的能带 Ec导带底能量导带底能量Ei禁带中央能级禁带
9、中央能级Ef费米能级费米能级Ev价带顶能量价带顶能量 平带条件:平带条件:当当MOS电容的极板上无外加电压时,在理想情况下,半导体从电容的极板上无外加电压时,在理想情况下,半导体从体内到表面处是电中性的,因而能带体内到表面处是电中性的,因而能带(代表电子的能量代表电子的能量)从表面到从表面到内部是平的。内部是平的。上一页下一页返 回加上正电压加上正电压MOS电容的能带电容的能带 (a)栅压栅压UG较小时,较小时,MOS电容器处于耗尽状态。电容器处于耗尽状态。(b)栅压栅压UG增大到开启电压增大到开启电压 Uth时时,半导体表面的费米能级半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极高于禁带中央能极,半
10、导体表面上的电子层称为反型层。半导体表面上的电子层称为反型层。上一页下一页返 回有信号电荷的势阱有信号电荷的势阱当MOS电容器栅压大于开启电压UG,周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处,形成对于电子的势阱。势阱:深耗尽条件下的表面势。势阱:深耗尽条件下的表面势。势阱填满:电子在半导体表面堆积后使平面势下降势阱填满:电子在半导体表面堆积后使平面势下降。上一页下一页返 回2.2.电荷耦合电荷耦合原理原理 6.2.3电荷耦合原理 上一页下一页返 回6.2.4 CCD6.2.4 CCD的电极结构的电极结构 1.1.三相单层铝电极结构三相单层铝电极结构 2.2.三相电阻海结构三相电阻海结构 光学系统
11、光学系统CCD2v3.3.三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构v 4.二相硅-铝交叠栅结构 5.阶梯状氧化物结构阶梯状氧化物结构 被测物被测物光学系统光学系统2CCD2光学系统光学系统1重叠部分重叠部分v6.6.四相四相CCDCCD 6.2.56.2.5转移信道结构转移信道结构 体沟道体沟道CCD CCD(BCCD)BCCD)模拟信号模拟信号数字信号数字信号6.2.6 通道的横向限制如果电极间距较大,势阱形状将发生弯曲变化,会使信号电荷漏出,外面的电荷也会漏进来。为了限制势阱的横向范围,形成一个高势能的位垒,将沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散和氧化物台阶法。、加屏蔽电场:在屏蔽极上施以
12、与栅极极性相反的电压,以吸收多子,造成多子在耗尽层内横向边界上的堆积,以限制耗尽层区的横向扩展。、氧化物台阶法:氧化物越厚,表面势越小,势阱越浅。使耗尽层以外的氧化层厚度加厚,保证它下面不会深耗尽,自动限制了势垒的高度、沟阻扩散法:利用掺杂浓度越高,表面势越小,势阱越浅,在同一珊压下,局部掺杂浓度不同。6.2.6.6.2.6.电荷的注入和检测电荷的注入和检测 v(1 1)光注入)光注入 Qin=qNeoAtc式中:为材料的量子效率;q为电子电荷量;Neo为入射光的光子流速率;A为光敏单元的受光面积;tc为光的注入时间。l(2 2)电注入电注入 (1)电流注入法电流注入法 (2)电压注入法电压注
13、入法 如图(a)所示为电流注入法结构如图(b)所示为电压注入法结构(3 3)电荷的检测)电荷的检测(输出方式输出方式)输出电流输出电流I Id d与注入到二极管中的电荷量与注入到二极管中的电荷量Q QS S的关系的关系 Q Qs s=I Id dd dt t 6.4 CCD6.4 CCD的特性参数的特性参数 (1 1)电荷转移效率电荷转移效率和电荷转移损失率和电荷转移损失率 电荷转移效率为 电荷转移损失率为 电荷转移效率与损失率的关系为(2 2)驱动频率驱动频率 驱动频率的下限驱动频率的下限 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t,少数载流子的平均寿命为i 则 驱动频率的上限驱动频率的上限
14、 电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为g 则 6.5电荷耦合成像器件电荷耦合成像器件6.5.1 CCD6.5.1 CCD线列图像器件线列图像器件线列图像器件线列图像器件线型器件,它可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出,获得线型器件,它可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出,获得一维的图像信号。若想用线阵一维的图像信号。若想用线阵CCDCCD获得二维图像信号,必须使线阵获得二维图像信号,必须使线阵CCDCCD与二维图像作与二维图像作相对的扫描运动,所以用线阵相对的扫描运动,所以用线阵CCDCCD对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。对匀速运动物体进行扫描成像是非
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光电子 器件 ccd
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【a199****6536】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【a199****6536】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。