电荷耦合器件课件

电荷耦合器件(CCD)实现光电转换、信号储存、转移、输出、处理及电子快门等

特点：1）体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。

2）空间分辨率高：4096X40963）光电灵敏度高、动态范围大。

4）模拟、数字输出方便；与微机接口方便。第一节CCD的物理基础MOS晶体管器件，但不工作于反型层而是深耗尽层。由衬底（P型单晶硅）、氧化层（SiO2）和金属电极构成。UG不同，物理特性不同。一、稳态MOS结构物理性质UG=0时，如a）所示。1.多数载流子堆积状态

UG<0,表面势Us<0;-qUs>0;空穴增多;表面能量增大;表面能带如b)所示.2.多数载流子耗尽状态UG>0,表面势Us>0;-qUs<0;空穴被排斥;表面能量减小;出现“多子耗尽区”或称“势阱”.表面能带如c)所示.3.载流子反型状态UG>0且更大超过某一值,表面电子超过空穴浓度,出现反型的N区,见d)所示.当UG>Uth时，MOS结构稳定，称“强反型”强反型条件：

2kTNA

表面势Us=----ln(--)(3-1)qniUth为出现强反型时的UG电压—阈值电压。

Uth=Us+Uox（3-2）实际中，UG=0时，能带并不平，需要一个平带电压UFB,则强反型栅极电压为：

UG>Uth+UFB强反型时，耗尽层宽度保持最大不变；MOS电容保持最大值不随UG变化。二、非稳态MOS的物理性质当UG>Uth一开始，由于电子尚未来得及产生，MOS结构只存在“势阱”。随后，热激发产生的电子在电场的作用下乡表面集聚，势阱中的电子不断增多，最后达到热平衡—稳态。

CCD就是在MOS电容器未达到热平衡之前，利用深耗层区来存储和转移信号的。见图3-3所示。MOS电容器势阱的信号电荷存储能力：

Qs=CoxUGAd(3-5)第二节CCD的工作原理一、CCD的电极结构即MOS结构的栅极，若干电极为一组（位）每个位有多少个电极就有多少“相”。实际中有2，3，4相；按电极结构分一层、两层和三层等

见下图3-6所示，有6电极结构。氧化层薄或掺杂浓度低的地方势阱深，反之浅。二、CCD的电荷转移在势阱下施加一系列有规律的电压（驱动时序），就可以控制电极下电荷包的存储位置和移动方向。只介绍三相和两相的电荷传输过程。1.三相CCD的电荷移动t1—t4:电荷从a1---b1；t4—t7:电荷从b1---c1；t7—t10:电荷从c1---a2；2.二相CCD的电荷转移阴影部分称阻挡势阱，不能存储电荷。二相CCD转移过程：电极的驱动控制时序t1~t4为第一次转移t5~t6为第二次转移t4~t5、t6~t7为输入/输出间隔三、信号输出方式1.电流输出：Φ3下面的电荷包经过输出栅OG后，Φ3由高变低，同时提升二极管电压，使其表面势升高以收集OG栅下的信号电荷，形成反向电流。2.电压输出浮置扩散放大器(FDA)和浮置栅放大器(FGA)信号电荷到来，VT1截止；栅极电势：

△Uout=Qs/CFD(3-6)经放大，输出端电压为△U’out（3-7）信号读出后，Φr脉冲复位，VT1导通，VT2的沟道抽走剩余电荷。

抗噪声性能好于电流，但破坏性读取。

FGA