CCD图像传感器
摘 要
电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)自70年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图像传感器，且广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。它是图像采集与数字化的关键器件。CCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和显示。其优点体现在4个方面：1）体积小，重量轻，能耗少，工作电压低，抗冲击与振动，寿命长；2）灵敏度高，噪声低，动态范围大；3）响应速度快，刷新时无残留痕迹，摄像启动快；4）利用VLSI技术生产，象素密度高，尺寸精确，批量生产成本低。
本文先从存储电荷、电荷转移、电荷输出、电荷注入四方面先介绍了CCD的工作原理，然后介绍了CCD图像传感器主要性能参数，之后就不同结构形式CCD图像传感器的结构、工作过程、选择依据进行说明，最后列举了一些线阵CCD摄像器件的实例，并介绍CCD图像传感器的发展趋势。
关键词：CCD图像传感器，CCD性能参数；CCD结构形式
一、CCD的工作原理
CCD不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出特点是以电荷为信号。工作过程主要包括信号电荷的产生、存储、传输和检测。一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行采样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图像显示器或其它信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。
1．CCD电荷存储
CCD是由金属—氧化物—半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）简称MOS构成的密排器件。这种MOS结构，一般是在P型（或N型）Si单晶的衬底上生长一层100~200nm的层，再在层上沉积具有一定形状的金属（一般是金属铝）或掺杂多晶硅电极。其中，“金属”为层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体。MOS光敏元结构图如图1-1所示。
图1-1 MOS光敏元结构
以P型半导体为例。当向栅极加正向偏压（或用光学系统将景物聚焦在器件表面）时，P型硅衬底中多数载流子—空穴被排斥，形成耗尽区，当VG（光强）足够大时，载流子深度耗
尽，甚至在半导体表面形成反型层。电子在那势能较低，形成了一个势阱。于是，当附近存在自由电子时，自由电子就会吸引电极下方附近。 这样的MOS电容就有了存储电荷（电子）的能力，势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。
2. CCD电荷转移
为了实现CCD中信号电荷的转移，必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，电荷能相互耦合。根据加在MOS电容上的电压越高产生的势阱越深的原理，通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。CCD中电荷的转移必须按照确定方向，为此，在MOS阵列上所加的各路电压脉冲必须严格满足相位要求，使得任何时刻，势阱的变化总是朝一个方向。
通常把CCD电极分为几组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD内部结构决定。通常有二相、三相、四相CCD。四相CCD与三相、二相器件相比，有利于提高转移效率，能适应更高的时钟频率。图1-2为电荷传输示意图。1-2(a)图是一个三相二位CCD，1-2(b)图给出了加在栅极的电压值，1-2(c)图是在1-2(b)图所示时钟波形驱动下，势阱中电荷的分布图。
1-2 电荷传输示意图
3.CCD电荷输出
CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。其输出端也是由一个二极管（OD）和一个输出栅极（OG）组成。一般在输出栅（OG）和二极管（OD）上外加电压使输出二极管反偏，于是势阱中的电荷包被反偏二极管结电容所收集。当输出二极管上加负载后，可获得输出电压。
图1-3为浮置栅结构输出电路，浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。
图1-3 浮置栅结构输出电路
其中，OG：输出栅，FD：浮置扩散区，R：复位栅，RD：复位漏，T：输出场效应管。
4.CCD电荷注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种。
在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。
电注入是指CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，一般常用的是电流注入法和电压注入法。
二、CCD图像传感器的主要性能参数
1.转移效率和转移损失率
电荷包从一个栅极势阱转移到下一个栅极势阱时，有部分的电荷转移过去，余下ε部分没有被转移。η即为电荷转移效率，相应地，ε称为损失率。根据电荷守恒定律有：
（1）
电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，经n次转移后的电荷输出量为：
（2）
上千次转移后，即使接近1，总的效率仍然很低，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。采用“胖零”技术可减少这种损耗。
2.分辨率
分辨率是指摄像器件对物象中明暗细节的分辨能力。CCD的分辨率与每个像元的尺寸和像元之间的间距有关，CCD器件像素数越多，分辨率越高。当像素数一定时，转移损失率对空间分辨率的影响也很大。另外，若光生载流子产生在离耗尽层较远的地方时，产生横向扩散，引起像素之间的相互干扰，造成空间分辨率降低。在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其它指标。
3. 暗电流与噪声
CCD在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为暗信号，即暗电流。暗电流产生
的原因有：半导体衬底的热产生、 耗尽区的产生复合中心的热激发载流子（主要）、 耗尽区边缘的少子热扩散、 界面上的产生中心的热激发。暗电流会限制器件的低频响应，减小动态范围，所以应尽量缩短信号电荷的存储与转移时间。同时，暗电流还会引起固定图像噪声，暗电流在整个成像区不均匀时使像面严重畸变。当CCD光敏元处于积分工作状态时，暗电流积分形成暗信号图像叠加到光信号图像上，引起固定图像噪声，出现个别暗电流尖峰，则一幅清晰完整的图像就会产生某些“亮条”或“亮点”。
4.光谱灵敏度
在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）即为灵敏度。CCD的光谱灵敏度主要由CCD器件响应度和各种噪声因素共同决定。由于CCD结构复杂，噪声源也较多，主要有光子噪声、暗电流噪声、表面捕获噪、肥零噪声和输出电路噪声等。量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。不同工艺制成的CCD芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效率高，光谱相应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱相应曲线上存在若干个峰和谷。
5.动态范围
对于光照度有较大变化时，器件仍能线性响应的范围。上限由电荷最大存贮容量决定，下限受噪声所限制，通常在103~104数量级。
6.线性度
线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系。弱信号下线性度较差（器件噪声影响大，信噪比低，引起一定离散性），动态范围中间区域非线性度基本为0。
7.光谱响应
我们将最大响应值归一化为100％所对应的波长，即峰值波长。通常将10％（或更低）的响应点所对应的波长称为截止波长，有长波端和短波端截止波长，两者之间包括的波长范围为光谱响应范围。CCD器件的光谱响应范围与所用材料有关。Si材料CCD光谱响应曲线与Si光电二极管相同。
三、CCD图像传感器的结构形式及选择依据
1. 线阵CCD器件
线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如下图3-1（a）所示。实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如下图3-1（b）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，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。
图3-1 线型CCD图像传感器
线阵CCD器件多用于传真拍摄图片资料以及工业上的一维变量检测，如箱内液面高度控制、金属丝拉细时直径检测等。如用它测量二维变量，第二维运动需用光机扫描方式。
2.面阵CCD器件
面型CCD图像传感器可分为帧转移成像器件及行转移成像器件两种。
帧转移的面阵CCD成像器件有三部分组成：感光区、信号存储区和输出转移区。如图3-2所示：
图3-2 帧转移CCD成像器件结构
在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电
荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。
行转移成像器件结构如图3-3。每一列CCD成像器件所存储的信号电荷在转移栅控制下转移到垂直移位寄存器中，然后逐行转移到水平移位寄存器沿水平方向输出。
图3-3 行转移CCD成像器件结构
帧转移面阵CCD一帧一帧传输电荷信号，器件灵敏度高，但成本也高，它适用于弱光摄像。
行转移面阵CCD价格较低，但是其输出信号噪声比也低，与帧转移器件相比能适用于较强光摄像系统。
3.红外CCD焦平面阵列器件
用硅做成的CCD成像器件在可见光及很近的红外波段能工作地非常好。然而对于大部分红外区域，硅几乎是透明的，在红外区必须发展相应的成像器件。将阵列器件放置于红外光学系统的焦平面上，同时完成探测与信息处理两种功能，对于红外系统具有更大的适应性，这种器件通常称为红外焦平面器件。在使用时系统中只需一个前置放大器，既减少了红外系统的复杂性，又大大提高了器件阵列密度，从而改进了系统的性能，提高了可靠性，降低了成本。因而，红外焦平面器件是目前红外探测技术发展的重点，也是近几年军民用先进技术装备的重要器件。
