傳感器原理bppt課件(已修改)
2025-05-18 00:40 本頁面
【正文】 第 11章 固態(tài)圖像傳感器 電荷耦合圖像傳感器 其它類型的圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器的應用 圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎器件 ，可實現(xiàn)可見光、紫外光、 X射線、近紅外光等的探測。 因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學技術中得到越來越廣泛的應用。 固態(tài)圖像傳感器是在同一塊半導體襯底上布設若干光敏單元與移位寄存器而構成的器件，是一種集成化、功能化的光電器件。 光敏單元又稱為 “ 像素 ” 或 “ 像點 ” ， 不同的光敏單元在空間上、電氣上彼此獨立。 每個光敏單元將自身感受到的光強信息轉(zhuǎn)換為電信號，眾多的光敏單元一起工作，即把入射到傳感器整個光敏面上按空間分布的光學圖像轉(zhuǎn)換為按時序輸出的電信號 “ 圖像 ” ，這些電信號經(jīng)適當?shù)奶幚?，能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。 固態(tài)圖像傳感器主要有五種類型：電荷耦合器件 CCD（ Charge Coupled Device）、電荷注入器件 CID（ Charge Injection Device）、金屬－氧化物－半導體 (MOS)、電荷引發(fā)器件 CPD（ Charge Priming Device）和疊層型攝像器件。 CCD的基本工作原理 CCD（ Charge Couple Devices，電荷耦合器件）可以把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到了圖象傳感器的作用。 ? 突出特點：以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。 ? 基本功能：電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。 ? 主要問題：信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。 電荷耦合圖像傳感器 CCD按電荷轉(zhuǎn)移信道劃分有兩種基本類型，一是電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道 CCD（簡稱 SCCD）；二是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱 BCCD）。 MOS結構及電荷存貯原理 (1)結構 CCD是 MOS（ Metal Oxide Semiconductor ）電容的一種應用，它是按照一定規(guī)律排列的 MOS電容器陣列組成的移位寄存器。其基本單元的 MOS電容結構如下圖所示。 金屬 金屬絕緣層 S i O 2 絕緣層 S i O 2 P Si N Si ( a) ( b)它具有一般電容所不具有的耦合電荷的能力。 在 P型硅襯底上生長一層 SiO2,再在 SiO2層上沉積金屬鋁作為柵極構成 MOS結構，它是 CCD器件的最小工作單元。 MOS電容上沒加電壓時，半導體的能帶結構如圖（ a）所示，從界面層到內(nèi)部能帶都是一樣的，即所謂平帶條件。 對 P型半導體來說，若在金屬 — 半導體間加正電壓，金屬電極板上就會充上一些正電荷，電極下的 P型硅區(qū)域內(nèi)的多數(shù)載流子（空穴）便會受到排斥，留下帶負電荷的負離子，其中無導電的載流子，這樣在硅表面處就會形成一個耗盡區(qū)。 P 型 半 導 體勢阱S i O2電極U 與此同時，氧化層與半導體界面處的電動勢發(fā)生變化，在耗盡層中電子能量從體內(nèi)到界面由高向低彎曲，如圖 b所示。這時只呈現(xiàn)出一般耗盡狀態(tài)，耗盡區(qū)厚度正比于外加電場；當柵壓增大超過某特征值 U th時，能帶進一步向下彎曲，以至使半導體表面處的費米能級高于禁帶中央能級， MOS器件處于深耗盡狀態(tài)，在相交點與界面之間逐漸形成一個反型層。如圖c所示。把 U th稱為 MOS管的閾值電壓。 這時若有信號電荷 (電子 )注入，則可貯存在深耗盡區(qū)域內(nèi)，這種能貯存電子的區(qū)域稱為電子“勢阱” ,勢阱具有存儲電子（電荷）的功能 ,每一個加正電壓的電極下就是一個勢阱。表面勢阱中的自由電荷稱為電荷包。勢阱的深度取決于正電壓 U的大小 ,勢阱的寬度取決于金屬電極的寬度。 若 U增加，柵極上充的正電荷數(shù)目增加， P型硅區(qū)域內(nèi)的負離子數(shù)目相應增加，耗盡區(qū)的寬度增加，表面勢阱加深。 金屬氧化物 + 電子 勢阱界面勢 (2)電荷存儲原理 當一束光照射到 MOS電容上時，襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量產(chǎn)生電子躍遷，形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作用下，分別向電極兩端移動，這就是光生電荷。這些光生電荷將儲存在電極形成的勢阱中，形成信號電荷存儲起來。 勢阱能夠儲存的最大電荷量又稱之為勢阱容量，它與所加柵壓近似成正比。 勢阱容納的電荷多少和該處照射光的強弱成正比，于是，圖像景物的不同明暗程度，便轉(zhuǎn)變成 CCD中積累電荷的多少。 電荷轉(zhuǎn)移工作
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