《電荷耦合器》課件

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1、4.3.1電荷耦合器件的結構和工作原理4.3.2CCD圖像傳感器4.3.3圖像傳感器的應用返回上一頁下一頁CCD（ChargedCoupledDevice，電荷耦合器件）是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。它的突出特點是以電荷作為信號，實現(xiàn)電荷的存儲和電荷的轉移，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。CCD有兩種基本類型，其一電荷包存儲在半導體和絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，稱為表面溝道CCD（SCCD）；另一種電荷包存儲在離半導體表面一定

2、深度的體內，并在半導體內沿一定方向傳輸，稱為體溝道CCD（BCCD）。MOS電容的結構1．金屬或多晶硅2．絕緣層SiO2CCD是一種固態(tài)檢測器，由多個光敏像元組成，其中每一個光敏像元就是一個MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器。CCD中的MOS電容器的形成方法：在P型或N型單晶硅襯底上用氧化辦法生成一層厚度約為100～150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電極，在襯底和電極間加上一個偏置電壓（柵極電壓卓彂成了一個MOS電容器。返回上一頁下一頁CCD一般是以P型硅為襯底，在這種P型硅

3、襯底中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。在電極施加柵極電壓UG之前，空穴的分布是均勻的，當電極相對于襯底施加正柵壓UG（此時UG小于P型半導體的閾值電壓Uth）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖（B）所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進一步向半導體內延伸。當UG>Uth時,半導體與絕緣體截面上的電勢(常稱為表面勢,用ΦS表示)變得如此之高,以至于將半導體內的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面,形成一層極薄的(約102um)但電荷濃度很高的反型層,如圖(C)。反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能.l當MOS電容器柵壓大于

4、開啟電壓U，周圍電子迅速地G聚集到電極下的半導體表面處，形成對于電子的勢阱。勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱填滿：電子在半導體表面堆積后使平面勢下降。返回上一頁下一頁當一束光投射到MOS電容器時，光子透過金屬電極和氧化層，進入Si襯底，襯底每吸收一個光子，就產(chǎn)生一個電子—空穴對，其中電子被吸引到電荷反型區(qū)存儲。從而表明了CCD存儲電荷的功能。一個CCD檢測像元的電荷存儲容量決定于反型區(qū)的大小，而反型區(qū)的大小又取決于電極的大小、柵極電壓、絕緣層的材料和厚度、半導體材料的導電性和厚度等一些因素。電子所以被加有柵極電壓Vg的

5、MOS結構吸引到Si-SiO2的交接面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與電極電壓的關系為線性關系，圖(a)為空勢阱。圖(b)為反型層電荷填充1/3勢阱時，表面勢收縮，表面勢ΦS與反型層電荷填充量QP間的關系。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，表面勢下降到不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象，如圖（c)所示。圖示為64位CCD結構。光照射到光敏元上,會產(chǎn)生電子-空穴對（光生電荷）,電子被吸引存儲在勢阱中。入射光強則光生電荷多,弱則光生電荷少,無光照的光敏元則無光生電荷。這樣就在轉移柵實

6、行轉移前,把光的強弱變成與其成比例的電荷的數(shù)量,實現(xiàn)了光電轉換。若停止光照,電荷在一定時間內也不會損失,可實現(xiàn)對兩照的記憶。圖示的情況是,第62、64位光敏元受光,而第1、2、63位等光?元?受光煇。lCCD的基本功能是存儲與轉移信息電荷l為實現(xiàn)信號電荷的轉換：1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOC電容柵極電壓高低調節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺處流向勢阱深處。3、在CCD中電荷的轉移必須按照確定的方向。返回上一頁下一頁三DC相C信息電荷傳輸原理圖返回上

7、一頁下一頁返回上一頁下一頁CCD的信號輸出結構(a)選通電荷積分輸出電路(b)驅動時鐘波形和輸出波形返回上一頁下一頁l利用CCD的光電轉移和電荷轉移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學圖像轉移成了電信號“圖像”。l由于CCD能實現(xiàn)低噪聲的電荷轉移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的—致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。l線列和面陣返回上一頁下一頁線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應的構成一個主體,在它們之間設有一個

8、轉移控制柵,如圖(a)所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極。當入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結束時,轉移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電