一、引言

圖像傳感器是利用光電器件的光一電轉換功能，將其感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號“圖像”的一種功能器件。

固態圖像傳感器是指在同一半導體襯底上布設的若干光敏單元與移位寄存器構成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡稱為“像素”或“像點”，它們本身在空間上、電氣上是彼此獨立的。固態圖像傳感器利用光敏單元的光電轉換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉換為與光強成比例的、大小不等的電荷包空間分布。然后利用移位寄存器的功能將這些電荷包在時鐘脈沖控制下實現讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時序脈沖序列。

固態圖像傳感器與普通的圖像傳感器比，具有體積小、失真小、靈敏度高、抗振動、耐潮濕、成本低的特點。這些特色決定了它可以廣泛用于自動控制和自動測量，尤其是適用于圖像識別技術中。本文從分析固態圖像傳感器的原理出發，著重對它在測控及圖像識別領域進行分析和探討。

二、電荷禍合器件及工作原理

電荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices，簡稱CCD)，是固態圖像傳感器的敏感器件，與普通的MOS,TTL等電路一樣，屬于一種集成電路，但CCD具有光電轉換、信號儲存、轉移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等多種獨特功能。

電荷禍合器件CCD的基本原理是在一系列MOS電容器金屬電極上，加以適當的脈沖電壓，排斥掉半導體襯底內的多數載流子，形成“勢阱”的運動，進而達到信號電荷(少數載流子)的轉移。如果所轉移的信號電荷是由光像照射產生的，則CCD具備圖像傳感器的功能;若所轉移的電荷通過外界注入方式得到的，則CCD還可以具備延時、信號處理、數據存儲以及邏輯運算等功能。

電荷禍合器件CCD的基本原理與金屬一氧化物一硅(MOS)電容器的物理機理密切相關。因此。首先分析MOS電容器原理。

圖1是熱氧化P型Si(p-Si)襯底上淀積金屬而構成的一只MOS電容器，若在某一時刻給它的金屬電極加上正向電壓咋，p-Si中的多數載流子(此時是空穴)便會受到排斥，于是，在Si表面處就會形成一個耗盡區。這個耗盡區與普通的pn結一樣，同樣也是電離受主構成的空間電荷區。并且，在一定條件下，凡越大，耗盡層就越深。這時，Si表面吸收少數載流子(此時是電子)的勢(即表面勢V;)也就越大。顯而易見，這時的MOS電容器所能容納的少數載流子電荷的量就越大。據此，恰好可以利用“表面勢阱”(簡稱勢阱)這一形象比喻來說明MOS電容器在V;(或說在玲)作用下存儲(信號)電荷的能力。習慣上，把勢阱想象作一個桶，把少數載流子(信號電荷)想象成盛在桶底上的流體。在分析固態器件時，常常取半導體襯底內的電位為零，所以，取表面勢環的正值增方向朝下更方便(圖1(b))。

圖3 MOS電容器及其表面勢阱概念
表面勢V;是一個非常重要的物理量。在圖1Ca)所示的情況下，若所加Vc不超過某限定值時，則表面勢為:

上式是由半導體內電位分布的泊松方程求解得到的。因為Xa是受VG控制的，所以V;也是Vc的函數。

CD的電荷(少數載流子)的產生有兩種方式:電壓信號注入和光信號注入。作為圖像傳感器，CCD接收的是光信號，即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片上時，在柵極附近的耗盡區吸收光子產生電子一空穴對。這時在柵極電壓的作用下，多數載流子(空穴)將流入襯底，而少數載流子(電子)則被收集在勢阱中，形成信號電荷存儲起來。

這樣高于半導體禁帶寬度的那些光子，就能建立起正比于光強的存儲電荷。

由許多個MOS電容器排列而成的CCD，在光像照射下產生光生載流子的信號電荷，再使其具備轉移信號電荷的自掃描功能，即構成固態圖像傳感器。

圖2是光導攝像管與固態圖像傳感器的基本原理比較。圖2ta)中，當入射光像信號照射到攝像管中間電極表面時，其上將產生與各點照射光量成比例的電位分布，若用電子束掃描中間電極，負載Rl上會產生變化的放電電流。由于光量不同而使負載電流發生變化，這恰是所需的輸出電信號。所用電子束的偏轉或集束，是由磁場或電場控制實現的。

圖2 光導攝像管與固態圖像傳感器的基本原理比較
圖2(b)所示的固態圖像傳感器的輸出信號的產生，不需外加掃描電子束，它可以直接由自掃描半導體襯底上諸像素而獲得。這樣的輸出電信號與其相應的像素的位置對應，無疑是更準確些，且再生圖像失真度極小。顯然，光導攝像管等圖像傳感器，由于掃描電子束偏轉畸變或聚焦變化等原因所引起的再生圖像的失真，往往是很難避免的。

失真度極小的固態圖像傳感器，非常適合測試技術及圖像識別技術。此外，固態圖像傳感器與攝像管比，還有體積小、重量輕、堅固耐用、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強以及耗電少等許多優點，并且固態圖像傳感器的成本也較低。

三、固態傳感器分類、結構及特性

從使用觀點，可將固態圖像傳感器分為線型和面型固態圖像傳感器兩類。根據所用的敏感器件不同，又可分為CCD,MOS線型傳感器以及CCD,MOS面型傳感器等線型固態圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學文字識別技術等方面，面型固態圖像傳感器的發展方向主要用作磁帶錄像的小型照相機。本文主要介紹工程測試中常用到的線型固態圖像傳感器結構。

圖3所示為線型固態圖像傳感器的結構。其感光部是光敏二極管線陣列，1728個PD作為感光像素位于傳感器中央，兩側設置CCD轉換寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇數號位的PD的信號電荷移往下側的轉移寄存器;偶數號位則移往上側的轉移寄存器。以另外的信號驅動CCD轉移寄存器，把信電荷經公共輸出端，從光敏二極管PD上依次讀出。

圖3 線型固態圖像傳感器的結構

圖4 高靈敏度線性傳感器截面構造
通常把感光部分的光敏二極管作成MOS形式，電極用多晶硅，多晶硅薄膜雖能透過光像。但是，它對藍色光卻有強烈的吸收作用，特別以熒光燈作光源應用時，傳感器的藍光波譜響應將變得極差。為了改善一情況，可在多晶硅電極上開設光窗。由于這種構造的傳感器的光生信號電荷是在MOS電容器內生成、積蓄的，所以容量加大，動態范圍也因此而大為擴展。圖5是它的光譜響應特性。圖中虛線表示只用多晶硅電極而未開設光窗的CCD的傳感器特性;實線表示開設光窗形成的PD，信號電荷在MOS容器內積蓄的CCD傳感器特性，顯然，后者的藍色光譜響應特性得到明顯提高和改善，故稱后者為高靈敏度線型固態圖像傳感器。