N-4.3 电荷耦合器件

1、4.3 电荷耦合器件 在MOS（Metal Oxide Semiconductor）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“势阱”的运动，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； 若所转移的电荷通过外界诸多方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。4.3 电荷耦合器件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作原理4.3.2 CCD图像传感器4.3.3 图像传感器的应用4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理CCD是一种半导体器件 MOS电容的结构电容的结构1金属金属 2绝缘层绝

2、缘层SiO2平带条件下的能带 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。 加上正电压MOS电容的能带 (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

3、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。 有信号电荷的势阱当MOS电容器栅压大于开启电压UG，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。 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。 信号电荷转移 CCD的基本功能是存储与转移信息电荷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电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱

4、浅的地方流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 定向转移的实现在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为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，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD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、三相、四相。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。 三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 CCD电荷的产生方式 CCD在用作信号处理或存储器件时，电

5、荷输入采用电注入。 CCD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号电荷。 CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。 (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 4.3 电荷耦合器件4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理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4.3.2 CCD图像传感器利用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

6、图像转移成了电信号“图像”。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。线列和面阵(1)CCD线列图像器件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（2）面型固态图像传感器(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4.3 电荷耦合器件4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2 CCD图像传感器4.3.3 图像传感器的应用图像传感器的应用4.3.3 图像传感器的应用1尺寸测量2 用于光学文字识别装置1. 尺寸测量被测对象长