ch电荷耦合器件

1、4.3 电荷耦合器件 简称简称CCD（Charged Couple Device），是一种大规模），是一种大规模金属氧化物半导体（金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。）集成电路器件。以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移及输出以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移及输出信号电荷的功能。信号电荷的功能。于于1970年在美国贝尔实验室被发现，发展迅速。年在美国贝尔实验室被发现，发展迅速。在数字信息存储、模拟信号处理和传感器等方面有着十在数字信息存储、模拟信号处理和传感器等方面有着十分广泛的应用。分广泛的应用。1969年，美国贝尔实验室的年，美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和博伊尔和G.E

2、.史密斯史密斯在在探索磁泡器件探索磁泡器件的电模拟过程中，产生了电荷耦合器的电模拟过程中，产生了电荷耦合器件的原理设想，并在实验中得到验证。他们提出，紧件的原理设想，并在实验中得到验证。他们提出，紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器，可用来储存和密排列在半导体绝缘表面上的电容器，可用来储存和转移电荷。初期的转移电荷。初期的CCD存储和转移信号电荷的势阱都存储和转移信号电荷的势阱都位于硅位于硅-二氧化硅界面处二氧化硅界面处,即所谓表面沟道即所谓表面沟道CCD。1972年年D.康康首先设想了多数载流子首先设想了多数载流子CCD形式形式,在此基础在此基础上人们研制出上人们研制出体沟道体沟道CCD和和“

3、蠕动蠕动”型型CCD的新结构的新结构,有效地改善了有效地改善了CCD的性能。的性能。1973年美国仙童公司年美国仙童公司制成制成CCD摄像传感器，摄像传感器，CCD遂从遂从实验室进入工业生产的实用阶段实验室进入工业生产的实用阶段。中国于中国于1975年研制出年研制出32位位 CCD移位寄存器。中国的移位寄存器。中国的CCD研制工作主要集中于研制工作主要集中于 CCD成像和信号处理成像和信号处理。CCD摄像器在航空摄像、遥控、工业自动化等部门已摄像器在航空摄像、遥控、工业自动化等部门已获应用。获应用。CCD模拟延迟线和抽头延迟线在雷达和通信模拟延迟线和抽头延迟线在雷达和通信设备更新中发挥了重要作

4、用。设备更新中发挥了重要作用。4.3 电荷耦合器件 CCD由一系列排的很紧密的由一系列排的很紧密的MOS电容器组成，具有一般电电容器组成，具有一般电容所不具有的容所不具有的耦合电荷耦合电荷的能力。的能力。一个光敏单元或一个一个光敏单元或一个MOS电电容就是一个像素。容就是一个像素。在在MOS（Metal Oxide Semiconductor）电容金属电极上，）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“势阱势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。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

5、移的信号电荷是由光线照射产生；图像传感器：转移的信号电荷是由光线照射产生； 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。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E

6、f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

7、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，以致相邻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。电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻、控制相邻MOS

8、电容栅极电压高低来调节势阱深浅，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处使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处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。 定向转移的实现在在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电荷为一单元电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一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。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

9、。每相电极连接的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为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，它们所施加的有二相、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。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，将实现信的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。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电荷转移的沟道有N沟道和P沟道，N沟道的信号电荷为电子，P沟道的信号电荷为空穴。前者的时钟脉冲为正极性，后者为负极性，由于空穴的迁移率低，所

10、以P沟道CCD不太被采用，主要采用N沟道CCD。CCD电荷的产生方式 CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。 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。 光注入方式又可分为光注入方式又可分为正面照射式正面照射式和和背面照射式。背面照射式。正面照射时，光子从栅极间透明的正面照射时，光子从栅极间透明的SiO2绝缘层进入绝缘层进入CCD的耗尽层。的耗尽层。背面照射时，光从衬底射入，衬底变薄，以便光线入射。背面照射时，光从衬底射入，衬底变薄

11、，以便光线入射。还有一种是在每个单元的中心电极下开一个很小的孔，入还有一种是在每个单元的中心电极下开一个很小的孔，入射光直接照射到硅片上。射光直接照射到硅片上。光照产生的电子被收集在电极下的势阱中，电荷包的大小光照产生的电子被收集在电极下的势阱中，电荷包的大小与入射光信号大小成正比，使光信号转换为电信号。与入射光信号大小成正比，使光信号转换为电信号。CCD的信号输出有效的收集和检测电荷是一个重要问题。电流输出和电压输出两种方式。(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

12、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图像传感器利用利用CCD的的光电转移光电转移和和电荷转移电荷转移的双重功能。的双重功能。当一定波长的入射光照射当一定波长的入射光照射CCD时，若时，若CCD的电极的电极下形成势阱，则光生少数载流子就集聚到势阱中，下形成势阱，则光生少数载流子就集聚到势阱中，其其数目与光照时间和光强度成正比数目与光照时间和光强度成正比。使用时钟控制将光生电荷转移出来，得到幅度与使用时钟控制将光生电荷转移出来，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在在CCD上的

13、光学图像转移成了电信号上的光学图像转移成了电信号“图像图像”。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，且具有良好的一致性，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感光部分是光敏二极管线阵列，PD作为感光像素位于传感器中央。奇数号位的PD的信号电荷移往下侧的转移寄存器，偶数号位的则移往上侧的转移寄存器。以另外的信号驱动CCD转移寄存器，把信号电荷经公共输出端，从光敏二极管PD上依次读出。（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