成都信息工程（成都信工学院）：电子工业出版社《传感器与检测技术》教学资源（PPT课件）第4章光电式传感器原理与应用（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。

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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

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

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 4.3.2CCD图像传感器 4.3.3图像传感器的应用

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

43.1电荷耦合器件的结构和工作原理 cCCD是一种半导体器件 ■■■ P-Si N 图431MOS电容的结构 1.金属2.绝缘层SiO 上一页下一页

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 返回上一页下一页

平带条件下的能带氧化物半导体 E导带底能量 E E禁带中央能级金属 E 电子能量 E费米能级 E E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

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。返回上一页下一页

加上正电压MOS电容的能带耗尽层反型层耗尽层 E E E E (a栅压U较小时,MOS电容器处于耗尽状态。 (b)栅压U增大到开启电压Ut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

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。返回上一页下一页

有信号电荷的势阱当MOS电容器栅压大于开启电压Uc,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。金属氧化物电子界面势势阱势阱: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

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。返回上一页下一页

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MOS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

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MOS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。返回上一页下一页

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

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。返回上一页下一页

1, I, 鸟三相栅压波形相QQ信息电荷传输原理图中电荷转移过程上一页下一页

三相CCD 信息电荷传输原理图返回上一页下一页

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

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。返回上一页下一页

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