电荷耦合器件课件.ppt

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1、§8-3电荷耦合器件CCD背景知识：人们获取的信息量的绝大部分都是通过视觉器官得到的，为此获得性能良好的图像传感器一直是人们的追求，早期的非固态图像传感器-电子束摄像管与后来的固态图像传感器相比，有工作电压高，功耗大，寿命短，笨重等众多缺点。而固态图像传感器的开发直到集成电路出现后才开始，而怎样将光照到半导体产生的电信号，正确有效取出是图像传感器固态化最大的问题。第8章固态传感器1§8-3电荷耦合器件CCD背景知识：1969年，为了改进存储技术，美国贝尔实验室的维拉·博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治·史密斯（GeorgeE.Smi

2、th）将可视电话和半导体泡存储技术结合，设计了可以沿半导体表面传导电荷的“电荷‘泡’器件”（Charge“Bubble”Devices），率先发明了CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合件），并在次年以“ChargeCoupledSemiconductorDevices”为题发表论文，元件本身开始是被当作单纯的存储器使用。由于它能存储并传输信号电荷，随后人们认识到，CCD还可以利用内光电效应来拍摄并存储图象，具备图像传感器的功能。第8章固态传感器2§8-3电荷耦合器件CCD背景知识：经过人们30多年的研究与开发，CCD在像素

3、集成度、分辨力、灵敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其应用正从一维、二维向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，目前CCD已成为光子探测及视频采集领域最重要的技术，已被普遍认为是20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一，得到了广泛应用。第8章固态传感器3§8-3电荷耦合器件电荷耦合器件——(Charge-CoupledDevice(简称CCD)）说明：CCD并不是一种新发明的器件，是MOS电容器的一种新的用法。在适当次序的时钟控制下，CCD能够使电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电荷的转换。CCD主要功能：信息处理和信息存储器件

4、固态图像传感有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。第8章固态传感器4MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片第8章固态传感器§8-3电荷耦合器件1CCD器件结构CCD是由一系列排得很紧密的MOS（金属-氧化物-半导体)电容器组成。5彩色CCD显微照片（放大7000倍）第8章固态传感

5、器§8-3电荷耦合器件1CCD器件结构CCD是由一系列排得很紧密的MOS（金属-氧化物-半导体)电容器组成。61CCD器件结构它是以电荷作为信号，通过电荷的存储和转移，来实现信号的存储和转移，这是它的突出特点。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。以下分别说明。作为CCD的基本单元MOS电容器的结构如图1所示。在硅片上通过氧化生成一层SiO2为绝缘层(0.1μm)，再蒸镀一层小面积金属作为电极，称栅极，半导体硅(以P型硅为例）作为底电极，又称衬底。(电容器间隔1μm)图1MOS电容器结构示意图第8章固态传感器§8-

6、3电荷耦合器件7半导体物理学知识告诉我们，热或光的激发可在半导体内产生电子-空穴对，故半导体载流子有带负电荷的电子，也有带正电荷的空穴。P型半导体里空穴浓度高，为多数载流子，电子浓度少，为少数载流子，N型半导体则相反。当外界有光信号射入到MOS电容器的P型半导体内时，会产生电子-空穴对，光越强，电子-空穴对越多，这样光的强弱就与电子-空穴对的数量对应起来，信号电荷产生了，光信号就转换为电信号。2信号电荷的产生第8章固态传感器§8-3电荷耦合器件8外加电压条件VG=0：如果在MOS栅极G上施加VG=0时，P型半导体从体内到表面处是电中性的（忽略

7、氧化层中电荷及界面态电荷）。图2栅极电压为0V2信号电荷的存储§8-3电荷耦合器件第8章固态传感器9外加电压条件0VT如果在MOS栅极G上施加足够大的正电压VG（VG>VT)，由此产生的半导体与绝缘体界面上的电势（称为表面势）很高，多数载流子

8、空穴被排斥到衬底的底侧。此时若周围有电子（光生激发），将被吸引到表面处，称此种状态为非稳态（热非平衡状态）。可以形象地说：表面处构成了对于电子的“陷阱”，称之为势阱