《电荷耦合器》课件

《《电荷耦合器》课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、4.3.1电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2CCD图像传感器4.3.3图像传感器的应用返回上一页下一页CCD（ChargedCoupledDevice，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。CCD有两种基本类型，其一电荷包存储在半导体和绝缘体之间的界面，并沿界面传输，称为表面沟道CCD（SCCD）；另一种电荷包存储在离半导体表面一定

2、深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，称为体沟道CCD（BCCD）。MOS电容的结构1．金属或多晶硅2．绝缘层SiO2CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。CCD中的MOS电容器的形成方法：在P型或N型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为100～150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压卓彂成了一个MOS电容器。返回上一页下一页CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅

3、衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压UG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压UG（此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图（B）所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当UG>Uth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用ΦS表示)变得如此之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约102um)但电荷浓度很高的反型层,如图(C)。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能.l当MOS电容器栅压大于

4、开启电压U，周围电子迅速地G聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。返回上一页下一页当一束光投射到MOS电容器时，光子透过金属电极和氧化层，进入Si衬底，衬底每吸收一个光子，就产生一个电子—空穴对，其中电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了CCD存储电荷的功能。一个CCD检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。电子所以被加有栅极电压Vg的

5、MOS结构吸引到Si-SiO2的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系为线性关系，图(a)为空势阱。图(b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势ΦS与反型层电荷填充量QP间的关系。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象，如图（c)所示。图示为64位CCD结构。光照射到光敏元上,会产生电子-空穴对（光生电荷）,电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电荷多,弱则光生电荷少,无光照的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实

6、行转移前,把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量,实现了光电转换。若停止光照,电荷在一定时间内也不会损失,可实现对兩照的记忆。图示的情况是,第62、64位光敏元受光,而第1、2、63位等光䕏元䜊受光煇。lCCD的基本功能是存储与转移信息电荷l为实现信号电荷的转换：1、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，即相互耦合。2、控制相邻MOC电容栅极电压高低调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。返回上一页下一页三DC相C信息电荷传输原理图返回上

7、一页下一页返回上一页下一页CCD的信号输出结构(a)选通电荷积分输出电路(b)驱动时钟波形和输出波形返回上一页下一页l利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。l由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的—致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。l线列和面阵返回上一页下一页线型CCD图像传感器线型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

8、转移控制栅,如图(a)所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电