电荷耦合器件

1、在在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成导体衬底内的多数载流子，形成“势阱势阱”的运动，的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；若所转移的电荷通过外界诸如方式得到，则其可以若所转移的电荷通过外界诸如方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。能。上一页下一页返 回4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理电荷耦合器件的结构和工

2、作原理4.3.2 CCD图像传感器图像传感器4.3.3 图像传感器的应用图像传感器的应用上一页下一页返 回lCCD是一种半导体器件是一种半导体器件 图图4.3.1 MOS电容的结构电容的结构1金属金属 2绝缘层绝缘层SiO2上一页下一页返 回Ec导带底能量导带底能量Ei禁带中央能级禁带中央能级Ef费米能级费米能级Ev价带顶能量价带顶能量 平带条件：平带条件：当当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量代表电子的能量)从表面到从表面到内部是平的。内部是平的

3、。 上一页下一页返 回(a)栅压栅压UG较小时，较小时，MOS电容器处于耗尽状态。电容器处于耗尽状态。 (b)栅压栅压UG增大到开启电压增大到开启电压 Uth时时 ,半导体表面的费米能级半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。半导体表面上的电子层称为反型层。 上一页下一页返 回l当当MOS电容器栅压大于开启电压电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。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：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面

4、堆积后使平面势下降。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。 上一页下一页返 回lCCD的基本功能是存储与转移信息电荷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为实现信号电荷的转换： 1、必须使、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相电容阵列的排列足够紧密，以致相邻邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深3、在、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。中电荷的转移必须按照确定的方向。

5、上一页下一页返 回l在在CCD的的MOS阵列上划分成以几个相邻阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。此共同电极称相线。一位一位CCD中含的电容个数即为中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。的位数。通常通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、

6、三相、四相。加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。现信号电荷的定向转移。 上一页下一页返 回三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 上一页下一页返 回CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。采用电注入。 CCD通过输入结构对信号电压通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。号电荷。 CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流在用作图像传感时，信号电荷由光生

7、载流子得到，即光注入子得到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。决于照射光的强度和照射时间。 上一页下一页返 回(a) 选通电荷积分输出电路选通电荷积分输出电路 (b) 驱动时钟波形和输出波形驱动时钟波形和输出波形CCD的信号输出结构的信号输出结构 上一页下一页返 回l利用利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，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，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信上的光学图像转移成了电信号号“图像图像”。l由于由于CCD能实现

8、低噪声的电荷转移，并且所有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，且具有良光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的好的致性，因此，对图像的传感具有优越的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。性能。l线列和面阵线列和面阵上一页下一页返 回1CCD转移寄存器转移寄存器 2转移控制栅转移控制栅 3积蓄控制电极积蓄控制电极 4PD阵列阵列 SH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RS复位控制复位控制 VOD漏极输出漏极输出 OS图像信号输出图像信号输出 OG输出控制栅输出控制栅线型图像传感器结构线型图像传感器结构上一页下一页返 回(a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式上一页下一页返 回1尺寸测量尺寸