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8.4电荷耦合器件(CCD)

第8章 光电成像器件 8.1 光电成像器件概述 8.2 真空摄像管 8.3 光电耦合器件 8.4 电荷耦合器件CCD 8.5 电荷耦合摄像器件CCID 8.6 CCD图像传感器市场及应用 8.7 自扫描光电二极管阵列 (6)可用于非接触精密尺寸测量系统。 (7)无像元烧伤、扭曲,不受电磁干扰。 (8)有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定,便于与计算机结合接口。 8.4 电荷耦合器件(CCD) 线阵CCD:一行,扫描;体积小,价格低; 面阵CCD: 整幅图像;直观;价格高,体积大; 面阵CCD芯片 8.4 电荷耦合器件 (CCD) P-Si 输入 栅 输入二极管 输出二极管 输出 栅 SiO2 在CCD栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈 值的电压,则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱 用于存储信号电荷,其深度同步于信号电压变化,使阱 内信号电荷沿半导体表面传输,最后从输出二极管送出 视频信号。 8.4 电荷耦合器件 (CCD) 为了实现电荷的定向转移,在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。 8.4 电荷耦合器件(CCD) P-Si 输入 栅 输入二极管 输出二极管 输出 栅 SiO2 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD,简 称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型 沟道CCD,简称为P型CCD。由于电子的迁移率远 大于空穴的迁移率,因此N型CCD比P型CCD的工作 频率高得多。 P-Si 输入 栅 输入二极管 输出二极管 输出 栅 SiO2 8.4 电荷耦合器件 (CCD) CCD主要由三部分组成:信号输入、电荷转 移、信号输出。 输入部分:将信号电荷引入到CCD的第一个转 移栅极下的势阱中,称为电荷注入。 电荷注入的方法主要有两类:光注入和电注入。 8.4.2 CCD的工作原理 8.4 电荷耦合器件(CCD) 8.4 电荷耦合器件(CCD) 电注入:用于滤波、延迟线和存储器等。通过输 入二极管给输入栅极施加电压。 光注入:用于摄像机。用光敏元件代替输入二极 管。当光照射CCD硅片时,在栅极附近的半导体体 内产生电子—空穴对,其多数载流子被栅极电压排 开,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。 (1)电荷存储 8.4 电荷耦合器件(CCD) 8.4 电荷耦合器件(CCD) (1)在栅极加正偏压之前,P型半导体中的空穴(多 子)的分布是均匀的。 (2)加正偏压后,空穴被排斥而产生耗尽区,偏压增 加,耗尽区向内延伸。 (3)当UG> Uth时,半导体与绝缘体界面上的电势变 得很高,以致于将半导体内的电子(少子)吸引到 表面,形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。 (4)反型层电荷的存在表明MOS结构存储电荷功能。 8.4 电荷耦合器件 (CCD) (2)电荷耦合 t1时刻φ1是高电平,于是在电极①下形成势阱,并将少数载流子(电子)吸引至聚集在Si-SiO2界面处,而电极②、③却因为加的是低电平,形象地称为垒起阱壁。如图(a)所示。 8.4 电荷耦合器件 (CCD) t2时刻,φ1的高电平有所下降,φ2变为高电平,而φ3仍是低电平。这样在电极②下面势阱最深,且和电极1下面势阱交迭,因此储存在电极①下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电极②下的势阱区。由于电极③上的低电平无变化,所以仍高筑势垒,势阱里的电荷不能往电极③下扩散和漂移。如图(b)(c)(d)所示。 8.4 电荷耦合器件 (CCD) t3时刻,φ1变为低电平,φ2为高电平,这样电极①下面的势阱完全被撤除而成为阱壁,电荷转移到电极②下的势阱内。由于电极③下仍是阱壁,所以不能继续前进,这样便完成了电荷由电极1下转移到电极2下的一次转移,如图(e)所示。 8.4 电荷耦合器件 (CCD) 上图为64位CCD结构图。每个光敏元(像素)对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间隔得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭,如下图所示。 8.4 电荷耦合器件 (CCD) 8.4 电荷耦合器件 (CCD) 三个时钟脉冲的时序 完成一次转移的过程 8.4 电荷耦合器件 (CCD) (3)电荷的检测(输出) 8.4 电荷耦合器件 (CCD) 电流输出 浮

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