4.3 电荷耦合器件12.ppt

1、,4.3 电荷耦合器件Charge-coupled device,在MOS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能。,上一页,下一页,返 回,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,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,CCD是一种半导体器件,图4.3.1 MOS电容的

2、结构 1金属 2绝缘层SiO2,上一页,下一页,返 回,平带条件下的能带,Ec导带底能量 Ei禁带中央能级 Ef费米能级 Ev价带顶能量,平带条件： 当MOS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(代表电子的能量)从表面到 内部是平的。,上一页,下一页,返 回,加上正电压MOS电容的能带,(a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。 (b)栅压UG增大到开启电压 Uth时 ,半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。,上一页,下一页,返 回,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

3、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,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。,上一页,下一页,返 回,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

4、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。,上一页,下一页,返 回,三相CCD信息电荷传输原理图,上一页,下一页,返 回,CCD电荷的产生方式：,电压信号注入 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。 光信号注入 CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载

5、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。,上一页,下一页,返 回,(a) 选通电荷积分输出电路 (b) 驱动时钟波形和输出波形,CCD的信号输出结构,上一页,下一页,返 回,432 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,上一页,下一页,返 回,(1)CCD线列图像器件,1CCD转移寄存器 2转移控制栅 3积

6、蓄控制电极 4PD阵列 SH转移控制栅输入端 RS复位控制 VOD漏极输出 OS图像信号输出 OG输出控制栅,线型图像传感器结构,上一页,下一页,返 回,（2）面型固态图像传感器,(a)x-y 选址 (b)行选址 (c)帧场传输式 (d)行间传输式,上一页,下一页,返 回,433 图像传感器的应用,1尺寸测量 2 用于光学文字识别装置,上一页,下一页,返 回,1尺寸测量,被测对象长度L,l1 视场 l2传感器的长度,上一页,下一页,返 回,2 用于光学文字识别装置,光学文字识别装置(OCR)原理,上一页,返 回,charge-coupled device,A charge-coupled de

7、vice (CCD) is a device for the movement of electrical charge, usually from within the device to an area where the charge can be manipulated, for example conversion into a digital value.,This is achieved by shifting the signals between stages within the device one at a time. Technically, CCDs are imp

8、lemented as shift registers that move charge between capacitive bins in the device, with the shift allowing for the transfer of charge between bins,Often the device is integrated with an image sensor, such as a photoelectric device to produce the charge that is being read, thus making the CCD a majo

9、r technology for digital imaging. Although CCDs are not the only technology to allow for light detection, CCDs are widely used in professional, medical, and scientific applications where high-quality image data is required,In a CCD for capturing images, there is a photoactive region (an epitaxial la

10、yer of silicon), and a transmission region made out of a shift register (the CCD, properly speaking).,An image is projected through a lens onto the capacitor array (the photoactive region), causing each capacitor to accumulate an electric charge proportional to the light intensity at that location,A

11、 one-dimensional array, used in line-scan cameras, captures a single slice of the image, while a two-dimensional array, used in video and still cameras, captures a two-dimensional picture corresponding to the scene projected onto the focal plane of the sensor. Once the array has been exposed to the

12、image, a control circuit causes each capacitor to transfer its contents to its neighbor (operating as a shift register). The last capacitor in the array dumps its charge into a charge amplifier, which converts the charge into a voltage.,By repeating this process, the controlling circuit converts the entire contents of the array in the semiconductor to a sequence of voltages. In a digital device, these voltages are then sampled, digitized, and usually stored in memory; in an analog device (such as an analog video camera), they are processed into a con