CCD电荷耦合器件—测量

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4.3 电荷耦合器件电容金属电极上, 在MOS电容金属电极上,加以脉冲电压,排斥掉半 电容金属电极上 加以脉冲电压, 导体衬底内的多数载流子,形成"势阱"的运动, 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. 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; 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, 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, 具备延时,信号处理,数据存储以及逻辑运算等功 能.

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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 图像传感器 4.3.3 图像传感器的应用

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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 是一种半导体器件

图4.3.1 MOS电容的结构 电容的结构 1.金属 2.绝缘层 . .绝缘层SiO2返 回 上一页 下一页

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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: 平带条件: 电容的极板上无外加电压时, 当MOS电容的极板上无外加电压时,在理想情况下,半导体从 电容的极板上无外加电压时 在理想情况下, 体内到表面处是电中性的,因而能带(代表电子的能量 代表电子的能量)从表面到 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. 内部是平的.返 回 上一页 下一页

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加上正电压MOS电容的能带 加上正电压MOS电容的能带

(a)栅压 G较小时,MOS电容器处于耗尽状态. 栅压U 较小时, 电容器处于耗尽状态. 栅压 电容器处于耗尽状态 (b)栅压 G增大到开启电压 Uth时 ,半导体表面的费米能级 栅压U 栅压 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. 高于禁带中央能极 半导体表面上的电子层称为反型层.返 回 上一页 下一页

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有信号电荷的势阱电容器栅压大于开启电压U 当MOS电容器栅压大于开启电压 G,周围电子迅速地 电容器栅压大于开启电压 聚集到电极下的半导体表面处,形成对于电子的势阱. 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: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. 势阱填满:电子在半导体表面堆积后使平面势下降.返 回 上一页 下一页

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信号电荷转移CCD的基本功能是存储与转移信息电荷 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: 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 ,必须使 电容阵列的排列足够紧密,

电容阵列的排列足够紧密 电容的势阱相互沟通, 邻MOS电容的势阱相互沟通,即相互耦合. 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 ,控制相邻 电容栅极电压高低来调节势阱 深浅, 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 , 中电荷的转移必须按照确定的方 向.返 回 上一页 下一页

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定向转移的实现阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻 的 阵列上划分成以几个相邻 电荷为 一单元的无限循环结构.每一单元称为一位,将每— 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, 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. 此共同电极称相线. 一位CCD中含的电容个数即为 中含的电容个数即为CCD的相数.每相电极 的相数. 一位 中含的电容个数即为 的相数 连接的电容个数一般来说即为CCD的位数. 的位数. 连接的电容个数一般来说即为 的位数 通常CCD有二相,三相,四相等几种结构,它们所施 有二相,三相,四相等几种结构, 通常 有二相 加的时钟脉冲也分别为二相,三相,四相. 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 的无限循环结构上时, 当这种时序脉冲加到 的无限循环结构上时 现信号电荷的定向转移. 现信号电荷的定向转移.返 回 上一页 下一页

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三 相 CCD

信 息 电 荷 传 输 原 理 图

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CCD电荷的产生方式: CCD电荷的产生方式: 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 在用作信号处理或存储器件时, 在用作信号处理或存储器件时 采用电注入. 采用电注入. CCD通过输入结构对信号电压 通过输入结构对信号电压 或电流进行采样, 或电流进行采样,将信号电压或电流转换为信 号电荷. 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 在用作图像传感时, 在用作图像传感时 子得到, 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. 决于照射光的强度和照射时间.

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CCD的信号输出结构 的信号输出结构

(a) (b)返 回

选通电荷积分输出电路 驱动时钟波形和输出波形上一页 下一页

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4.3.2 CCD图像传感器 CCD图像传感器利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能, 的光电转移和电荷转移的双重功能, 利用 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, 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 从而将照射在 上的光学图像转移成了电信 图像" 号"图像". 由于CCD能实现低噪声的电荷转移,并且所有 能实现低噪声的电荷转移, 由于 能实现低噪声的电荷转移 光生电荷都通过一个输出电路检测, 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, 致性, 好的 致性,因此,对图像的传感具有优越的 性能. 性能. 线列和面阵返 回 上一页 下一页

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(1)CCD线列图像器件 (1)CCD线列图像器件线 型 图 像 传 感 器 结 构

1 CCD 器 2 4—PD 列 SH— VOD— OS—图像 图像

3 RS— OG—

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(2)面型固态图像传感器(a)x-y 选址 (b)行选址 行选址 (c)帧场传输式 帧场传输式 (d)行间传输式 行间传输式

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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 .

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1.尺寸测量

被测对象长度L L = 1 np = ( a 1) pn 被测对象长度M f

l1 L = pn l2返 回 上一页

l1 -视场 l2-传感器的长度下一页