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4.3 电荷耦合器件 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 4.3.2 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 1-CCD转移寄存器 2-转移控制栅 3-积蓄控制电极 4—PD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 4.3.3 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
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