電荷耦合器件

4.3電荷耦合器件 在MOS電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢阱”的運動，進而達到信號電荷（少數(shù)載流子）的轉(zhuǎn)移。 圖像傳感器：轉(zhuǎn)移的信號電荷是由光像照射產(chǎn)生； 若所轉(zhuǎn)移的電荷通過外界諸如方式得到，則其可以具備延時、信號處理、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運算等功能。上一頁下一頁返回4.3電荷耦合器件4.3.1電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理4.3.2CCD圖像傳感器4.3.3圖像傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回4.3.1電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理CCD是一種半導(dǎo)體器件

圖4.3.1MOS電容的結(jié)構(gòu)1．金屬2．絕緣層SiO2上一頁下一頁返回平帶條件下的能帶Ec導(dǎo)帶底能量Ei禁帶中央能級Ef費米能級Ev價帶頂能量平帶條件：當MOS電容的極板上無外加電壓時，在理想情況下，半導(dǎo)體從體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶(代表電子的能量)從表面到內(nèi)部是平的。上一頁下一頁返回加上正電壓MOS電容的能帶(a)柵壓UG較小時，MOS電容器處于耗盡狀態(tài)。(b)柵壓UG增大到開啟電壓Uth時,半導(dǎo)體表面的費米能級高于禁帶中央能極,半導(dǎo)體表面上的電子層稱為反型層。上一頁下一頁返回有信號電荷的勢阱當MOS電容器柵壓大于開啟電壓UG，周圍電子迅速地聚集到電極下的半導(dǎo)體表面處，形成對于電子的勢阱。

勢阱：深耗盡條件下的表面勢形成的空間區(qū)域。勢阱填滿：電子在半導(dǎo)體表面堆積后使平面勢下降。上一頁下一頁返回信號電荷轉(zhuǎn)移CCD的基本功能是存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷為實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換：

1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。

上一頁下一頁返回定向轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每—位中對應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。 一位CCD中含的電容個數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個數(shù)一般來說即為CCD的位數(shù)。 通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。 當這種時序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時，將實現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)移。

上一頁下一頁返回三相CCD信息電荷傳輸原理圖上一頁下一頁返回CCD電荷的產(chǎn)生方式：電壓信號注入

CCD在用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。光信號注入

CCD在用作圖像傳感時，信號電荷由光生載流子得到，即光注入。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強度和照射時間。

上一頁下一頁返回(a)

選通電荷積分輸出電路

(b)

驅(qū)動時鐘波形和輸出波形CCD的信號輸出結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回4．3．2CCD圖像傳感器利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學圖像轉(zhuǎn)移成了電信號“圖像”。由于CCD能實現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的—致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。線列和面陣上一頁下一頁返回(1)CCD線列圖像器件1－CCD轉(zhuǎn)移寄存器2－轉(zhuǎn)移控制柵3－積蓄控制電極4—PD陣列SH—轉(zhuǎn)移控制柵輸入端RS—復(fù)位控制VOD—漏極輸出OS—圖像信號輸出OG—輸出控制柵線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回（2）面型固態(tài)圖像傳感器(a)x-y選址(b)行選址(c)幀場傳輸式(d)行間傳輸式上一頁下一頁返回4．3．3圖像傳感器的應(yīng)用1．尺寸測量2．

用于光學文字識別裝置上一頁下一頁返回