電荷耦合器件的基本原理課件

CCD是能完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃描）視頻信號(hào)的全過程的光電器件。

它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號(hào)能夠不失真地將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。與真空攝像器件相比,CCD還有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長；

(2)無象元燒傷、扭曲，不受電磁場(chǎng)干擾；

(3)象元尺寸精度優(yōu)于1μm,分辨率高；

(4)基本上不保留殘象（真空攝像管有15%～20%的殘象）。

(5)視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易。6.1電荷耦合器件的基本原理6.1電荷耦合器件的基本原理CCD背景介紹W.S.Boyle與G.E.Smith1969年秋，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith受磁泡的啟示，提出了CCD的概念。CCD是英文ChargeCoupledDevice的縮寫，中文為“電荷耦合器件”。

6.1電荷耦合器件的基本原理電荷耦合器件ChargeCoupledDevice簡(jiǎn)稱CCD6.1電荷耦合器件的基本原理CCD的分類

表面溝道電荷耦合器件（SCCD）——信號(hào)電荷存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敗?/p>

體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件（BCCD）——信號(hào)電荷存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)部沿一定方向傳輸。按電荷轉(zhuǎn)移的溝道分：按光敏元的排列分：

線陣CCD

面陣CCD6.1電荷耦合器件的基本原理CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。其應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動(dòng)了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了機(jī)器視覺的發(fā)展，促進(jìn)了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。

CCD的應(yīng)用6.1電荷耦合器件的基本原理

CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但與MOS晶體管的工作原理不同。MOS晶體管是利用在電極下的半導(dǎo)體表面形成的反型層進(jìn)行工作的，而CCD是利用在電極下SiO2—半導(dǎo)體界面形成的深耗盡層（勢(shì)阱）進(jìn)行工作的，屬非穩(wěn)態(tài)器件。

6.1電荷耦合器件的基本原理6.1.1MOS結(jié)構(gòu)特征CCD的特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，不是以電流或電壓作為信號(hào)。

在P型或N型硅單晶的襯底上生長一層厚度約為0.1-0.2微米的SiO2層，然后按一定次序沉積N個(gè)金屬電極作為柵極，柵極間的間隙約2.5μm，電極的中心距離15～20μm，于是每個(gè)電極與其下方的SiO2和半導(dǎo)體間構(gòu)成了一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即MOS結(jié)構(gòu)。CCD線陣列CCD單元這種結(jié)構(gòu)再加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了N位CCD。6.1電荷耦合器件的基本原理MOS結(jié)構(gòu)單元－像素由多個(gè)像素組成線陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導(dǎo)體是連續(xù)的6.1電荷耦合器件的基本原理在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正電壓UG（此時(shí)UG≤Uth）時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電極下Ｐ型區(qū)域里的多數(shù)載流子空穴被排斥到襯底的底側(cè)，硅表面處留下不能移動(dòng)的帶負(fù)電的粒子，產(chǎn)生耗盡區(qū)。6.1電荷耦合器件的基本原理

勢(shì)阱

施加正電壓

空穴耗盡區(qū)6.1電荷耦合器件的基本原理

對(duì)于半導(dǎo)體器件，當(dāng)金屬電極加上正電壓時(shí)，接近半導(dǎo)體表面的空穴被排斥，電子增多，在表面下一定范圍內(nèi)只留下受主離子，形成耗盡區(qū)。該區(qū)域?qū)﹄娮觼碚f是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，也稱勢(shì)阱。加在柵極上的電壓愈高，表面勢(shì)越高，勢(shì)阱越深；若外加電壓一定，勢(shì)阱深度隨勢(shì)阱中電荷量的增加而線性下降。6.1電荷耦合器件的基本原理柵極正向電壓增加時(shí)，勢(shì)阱變深。－－改變UG，調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度勢(shì)阱的形成6.1電荷耦合器件的基本原理UG＞Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層（溝道）。深度耗盡狀態(tài)N型(P溝道）P型(N溝道）UG＞Uth時(shí)，6.1電荷耦合器件的基本原理耗盡區(qū)對(duì)于帶負(fù)電的電子來講是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，若注入電子，電場(chǎng)則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。表面處構(gòu)成了對(duì)于電子的“陷阱”，稱之為表面勢(shì)阱，勢(shì)阱積累電子的容量取決于勢(shì)阱的“深度”，而表面勢(shì)的大小近似與柵壓VG成正比。MOS電容具有存儲(chǔ)電荷的能力當(dāng)勢(shì)阱中填滿了電子,勢(shì)阱中的電子不再增加了，便達(dá)到穩(wěn)態(tài)（熱平衡狀態(tài)）。因此信號(hào)電荷的儲(chǔ)存必須在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前完成。6.1電荷耦合器件的基本原理CCD的工作條件：穩(wěn)定條件下，不能向勢(shì)阱中注入電荷，在非穩(wěn)定條件下，即在深耗盡時(shí)，人為的注入信號(hào)電荷，如電注入和光注入，就能達(dá)到人為的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷的目的。電子

－－被吸入勢(shì)阱產(chǎn)生電子－空穴對(duì)空穴

－－柵極電壓排斥光注入：

產(chǎn)生電子－空穴對(duì)6.1電荷耦合器件的基本原理6.1.2CCD的勢(shì)阱深度與電荷的存儲(chǔ)

6.1電荷耦合器件的基本原理

勢(shì)阱的深度與存儲(chǔ)能力都是由表面勢(shì)所決定。6.1電荷耦合器件的基本原理6.1電荷耦合器件的基本原理簡(jiǎn)單寫成以下形式：這些關(guān)系即為CCD的基礎(chǔ)理論6.1電荷耦合器件的基本原理勢(shì)阱內(nèi)吸收的光電子數(shù)量與入射光勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。一個(gè)勢(shì)阱所吸收集的若干個(gè)光生電荷稱為一個(gè)電荷包。光照射到光敏元上時(shí)，會(huì)產(chǎn)光生電子—空穴對(duì)，光生電子將被吸入勢(shì)阱存儲(chǔ)起來，空穴則被排斥到半導(dǎo)體的底側(cè)。電荷包的存儲(chǔ)通常在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏單元，如果在金屬電極上加上正電壓，則在半導(dǎo)體硅片上就形成成千上萬的個(gè)相互獨(dú)立的勢(shì)阱。如果此時(shí)照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會(huì)產(chǎn)生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光電荷圖像。6.1電荷耦合器件的基本原理信號(hào)電荷包的傳輸1）通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷包由勢(shì)阱淺的位置流向勢(shì)阱深的位置。2）必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合。3）柵極脈沖電壓必須嚴(yán)格滿足位相時(shí)序要求，保證信號(hào)轉(zhuǎn)移按確定方向進(jìn)行。CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移：將電荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢(shì)阱。

基本思想：

－－調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度

－－利用勢(shì)阱耦合6.1電荷耦合器件的基本原理6.1.3電荷耦合原理

下圖是四個(gè)彼此緊密排列的MOS電容結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極電壓變化時(shí)，我們看看勢(shì)阱及阱內(nèi)的信號(hào)電荷是如何變化與傳輸?shù)摹?.1電荷耦合器件的基本原理

當(dāng)t=t2時(shí)，①電極和②電極均加有+10V電壓，且兩電極靠得很近，這樣①電極和②電極下面所形成的勢(shì)阱就連通，①電極下的部分電荷就流入②電極下的勢(shì)阱中。當(dāng)t=t3時(shí)，①電極上的電壓已由+10V變?yōu)?2V，下面的勢(shì)阱由深變淺，勢(shì)阱內(nèi)電荷全部移入②電極下的深勢(shì)阱中。由上面過程可知，從t1→t3

，深勢(shì)阱從①電極下移動(dòng)到②電極下面，勢(shì)阱內(nèi)的電荷也向右轉(zhuǎn)移了一位。如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號(hào)電荷可控地一位一位地順序傳輸，這就是電荷耦合。

假設(shè)t=t1時(shí)，已有信號(hào)電荷存貯在偏壓為+10V的①號(hào)電極下的勢(shì)阱里，