半导体器件物理(18)——CCD和CMOS成像传感器
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成像传感器是将光学图像转变为电学信号的传感器。CCD有着更好的性能,CMOS有着更低的成本。

CCD成像传感器

CCD是电荷耦合器件(Charge-Coupled Device)。它的核心是紧密排列的一系列MOS电容,构成了一个二维阵列。它的原理就是利用MOS电容产生反型电子速度慢的特点。CCD阵列有两个功能,分别是将图像信号转化为二维阵列中所存储的电子包,二是将收集来的电荷转移到阵列的边缘,再通过电荷检测电路将这些电荷包以串行的方式读取出来。

电荷存储

在栅极突然施加一个电压,并且满足$V_g>V_t$。由于热产生电子空穴对是一个缓慢的过程,在一开始,半导体表面不会产生反型电子。此时,多余的电压将由耗尽区承担,耗尽区宽度将超过$W_{\mathrm{dmax}}$,能带弯曲超过$2\phi_B$,这种状态称为深耗尽。如下图(a)所示:

此时,如果有光照射到MOS电容达到10ms,将会由一些光生电子在界面处聚集,如图(b)所示。光生电子在表面处聚集,光生空穴会流向衬底内部(和之前讲光注入一样,在耗尽区产生电子空穴对会被拉开),进而通过衬底电极流出。那么我们就可以发现,在表面出积累的光生电子与光照强度有关,也就是讲图像信号转化为了二维MOS电容阵列中所存储的电子包。那么如何读取呢?就是靠CCD阵列的电荷转移功能。

深耗尽区时,耗尽区宽度增大,那么耗尽区电容减小,对应的CV曲线持续减小,如下图所示。

电荷转移

原理如下图所示:

每三个MOS电容为一组,每个MOS电容分别接着$V_1,V_2,V_3$,每组电容存储一个像素。如图(a)所示。首先增大$V_1$,存储的电荷会集中在左侧电容下。随后增大$V_2$,那么电子会向第二个电容转移,接着使得$V_2>V_1=V_3$,此时电子都集中在第二个电容下了。至此,将存储的电荷包转移了一个电容。一直这样下去,就可以串行读出每个像素点对应的存储电荷了。

在电荷转移过程中,需要保证三个栅极电压中,总有一个要保持最低电位,保证不同像素间的电荷信号不会发生混淆。

在二维阵列中,可以按照如下所示的读法:

使其中一行避光,作为读取行,然后进行将上面的行向下平移一行,使得上面一层感光行存储的电子进入读取行,然后读取。一直这样持续下去。

在进行平移和读取期间,整个CCD阵列需要进行避光,否则在平移的过程中光照会影响到存储的电子。

CMOS成像传感器

CMOS成像传感器不需要平移电荷包,而是通过行扫描读取的。光生电荷是利用PN结的光注入,耗尽区附近产生的电子和空穴将会被拉开,形成电荷存储。通过一个开路的N+P结,光生电子将会经过耗尽区存储在很薄的N+区中。PN结也是一个电容,因此,电子存储会改变N区的电压。通过电路会对变化的电容电压进行放大。

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