光电器件CCD原理ppt课件.ppt

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1、光电器件----CCD原理1969年秋，美国贝尔实验室受到磁泡即圆柱形磁畴器件的启示，提出了CCD的概念。CCD是在MOS晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，所以有人说，CCD是“一个多栅MOS晶体管，即在源与漏之间密布着许多栅极、沟道极长的MOS晶体管”。CCD是英文ChargeCoupledDevice的缩写，“电荷耦合器件”。CCD像素数增加，分辨率、灵敏度大幅度提高。线阵CCD已跃入阵列)。国外5000像素的线阵CCD已商品化，并对4个5000像素CCD进行拼接，实现了两万像素超长线阵CCD，获得了相当大的动态范围，满足了星

2、载、机载、空间监测等要求。CCD自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界的高度重视;CCD的发明者2006年元月，波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）颁发的CharlesStarkDraper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。北京时间2009年10月6日，2009年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(CharlesK.Kao)和两名科学家维拉·博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith）。CCD发明者——维

3、拉·博伊尔和乔治·史密斯CCD：它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。1.CCD的物理基础——MIS结构CCD是由按照一定规律紧密排列起来的金属---绝缘体---半导

4、体(MIS)电容阵列组成的。CCD结构及其工作原理MIS电容结构是CCD的基本组成部分，CCD的工作原理是建立在MIS电容理论之上，依靠在MIS电容器上储存荷电载流子和转运荷电载流子。类似于金属一绝缘体一金属(MIM)平行板电容器，在MIM电容器的两个金属极板上施加电压时，充电电荷分布在紧靠绝缘体的金属极板的原子层厚度内，其电压全部降落在绝缘体内。对MIS电容器施加电压时，因半导体中的电荷密度远小于金属的电荷密度，在半导体一侧，其电荷分布在半导体表面一定厚度的层内，所加的电压一部分降落在绝缘层内，另一部分则将降落在半导体表面的空间电

5、荷层中。图MIS电容结构MIS电容结构特性同时在半导体中有两种极性不同的载流子—电子和空穴，而且其浓度相差很大(如在硅中，多子和少子浓度相差1010倍)在MIS电容器上施加极性相反的电压时，半导体表面电荷层各处的电荷极性、分布和厚度大不相同。若给MIS电容器上施加一正向电压(VG)，则金属极板上带正电荷，半导体上带负电荷，在它们之间的绝缘层(氧化层)上将建立起电场(EI)，但是因为半导体中的自由载流子密度远远小于金属的自由电子密度。半导体中的面电荷就要扩展到相当厚度的一层，即垂直电场的存在使半导体表面内形成具有相当厚度的空间电荷区M

6、IS电容器(a)及电场(电势)随深度变化图(b)它起着对电场的屏蔽作用，使电场由界面至内逐渐减小，直到空间电荷区边界，电场基本上被全部屏蔽，见上图。对可见光CCD是以硅为基体材料的，绝缘体就是硅的氧化物，所以称为MOS电容结构。ＭＯＳ电容剖面图一、MOS电容的热平衡态特性图示出了p型半导体表面处能带结构的变化。EC为导带低，EV为价带顶，EF为费米能级，Ei为半导体在本征导电情况的EF，它位于禁带中央附近。p型半导体表面处能带结构的变化(a)体内能带；(b)表面耗尽层；(c)表面积累层；(d)表面反型层。如果表面的存在对电子运动没有

7、任何影响的话，如图(a)所示，水平能量线将一直延伸到表面，并与表面垂直。但事实上表面的存在不可能不影响到表面附近的电子运动和表面附近的能带结构，表面附近的电子能量也不可能与体内的能量完全一样。实际上表面常常不可避免的有电荷吸附，在MOS结构中，半导体与绝缘体的交界面上也由于晶格结构不连续而出现局域化电子能级，因而带有一定电荷。在绝缘体内甚至其外表面也可能有电荷存在。所有这些电荷总的效果等于是半导体表面施加了一个电场，使得体内接近界面处的电子能带发生变化，使表面层内的电荷重新分布。如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为负电荷，它的电场将

8、排斥电子吸引空穴，接近表面的电子能量增大（如图），表面处能带向上弯曲，近表面处空穴浓度增大。也就是表面层内积累了相当数量的空穴来中和表面上的负电荷，所以表面层称做“积累层”。能带弯曲的结果是使表面层剩下的负的受主离子及少量电子来中和表