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MOS电容器 （a） MOS电容截面； （b） 势阱图 电荷耦合器件（Charge Couple Device, CCD） 其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、 输出结构就构成了CCD器件。 CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器， 这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层， 并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求。 工作原理 CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式： 光信号注入和电信号注入。CCD用作固态图像传感器时， 接收的是光信号， 即光信号注入。当CCD器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中， 形成信号电荷， 并存储起来。 存储电荷的多少正比于照射的光强，从而可以反映图像的明暗程度， 实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是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成信号电荷。 CCD固态图像传感器 电荷耦合器件用于固态图像传感器中， 作为摄像或像敏的器件。 CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件， 光敏单元简称“像素”。 固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送， 经输出放大器输出。 导体、绝缘体和半导体 导体： (导)价带电子 绝缘体： 无价带电子 禁带太宽 半导体： 价带充满电子 禁带较窄 外界能量激励 满带电子激励成为导带电子 满带留下空穴 光作用下的跃迁和辐射 E2 - E1 = hv E1 E2 (a) 受激跃迁 hv E1 E2 (b) 自发辐射：非相干光 hv E1 E2 (c) 受激辐射：相干光 hv hv hv N1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数) N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数) (1) N1 N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。 (2) N2 N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。 半导体粒子分布状态 问题: 如何得到粒子数反转分布的状态? 电致发光 正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光 p n 外加正偏压 ? 注入载流子 ? 粒子数反转 ? 载流子复合发光 hv 直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。 间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。 发光材料的选择 LD的原理和结构 激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条件是： 粒子数反转? 产生大量的受激辐射 光反馈 ? 光放大 (增益 损耗) 相位条件 ? 波长选择 光反馈：光学谐振腔 1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔) 2. 光的产生及方向选择 1) 少数载流子的自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子 3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出 法布里－珀罗 (F-P) 谐振腔 100% 90% Diode Laser Typical Application of Laser The detection of the binary data stored in the form of pits on the compact disc is done with the use of a semiconductor laser. The