第11章图像传感器 随着光电子技术的发展，近年来又涌现了许多新型光电器件。常规的光电器件通常 只能检测辐射光功率的大小，而这些特种光电器件还具有空间分辨的能力，即不仅可以 检测入射光的强度，还可以检测入射光点的位置，空间明暗分布等。这些器件在工程检 测，机器人视觉，摄像等方面具有重要的用途。本章将着重介绍光电二极管阵列、光电 三极管阵列，电荷耦合器件(CCD)的工作原理，CCD图像及应用。 11.1光电二极管及光电三极管阵列 11.1.1光电二极管阵列的结构和工作原理 光电二极管阵列是重要的图像传感器之一，可以用于自动控制，非接触尺寸检测和 传真摄像等方面。所谓光电二极管阵列就是将许多光点二极管以线列或面阵的形式集成 在一个芯片上，用来同时检测入射光像在各点的光强度，并将转变成电信号。为了取出 这些光电信号，需要配上扫描输出和放大等电路，或者用混合集成的方法，将它们组成 完整的摄像器件。 光电二极管阵列的工作方式与单个二极管有所不同因为阵列中每个光电二极管的 有效面积很小，通常小于100×100um,因此，为了提高探测灵敏度。需要采用所谓的 积分方式。电荷的积分是利用光电二极管的自身的结电容，光电信号的取出是通过图
第 11 章 图像传感器 随着光电子技术的发展，近年来又涌现了许多新型光电器件。常规的光电器件通常 只能检测辐射光功率的大小，而这些特种光电器件还具有空间分辨的能力，即不仅可以 检测入射光的强度，还可以检测入射光点的位置，空间明暗分布等。这些器件在工程检 测，机器人视觉，摄像等方面具有重要的用途。本章将着重介绍光电二极管阵列、光电 三极管阵列，电荷耦合器件（CCD）的工作原理，CCD 图像及应用。 光电二极管阵列是重要的图像传感器之一，可以用于自动控制，非接触尺寸检测和 传真摄像等方面。所谓光电二极管阵列就是将许多光点二极管以线列或面阵的形式集成 在一个芯片上，用来同时检测入射光像在各点的光强度，并将转变成电信号。为了取出 这些光电信号，需要配上扫描输出和放大等电路，或者用混合集成的方法，将它们组成 完整的摄像器件。 光电二极管阵列的工作方式与单个二极管有所不同因为阵列中每个光电二极管的 有效面积很小，通常小于 100×100μ ㎡，因此，为了提高探测灵敏度。需要采用所谓的 积分方式。电荷的积分是利用光电二极管的自身的结电容，光电信号的取出是通过图
·198 传感器技术设计与应用 11-1所示的几步实现的。作为准备，首先闭合开关S,如图11-1(a),光电二极管处于 反偏，电荷储存在耗尽层的结电容上，相当于对结电容反向充电。由于光电流山及暗电 流Iu很小，充电过程达到稳定时，PN结上的电压基本接近电源电压U心。然后，打开开 关s图11-1(b),此时，由于光照产生电子一空穴对而使结电容缓慢放电。电子一空穴 对产生的速率与入射光强度成正比，故结电容亦以相同的速率放电。因此，在固定的时 间：内，储存电荷移走的数量Qπ与入射光强度成正比，这段时间称为光积分时间。光 积分结束时，结电容上的电压降为Ucπ，其值为 u-是 (11-1) 式中，C为结电容 光积分结束后，再次合上开关S图11-1(c),二极管再次被充电至Uc,再充电电 流流经负载电阻所产生的压降即为光电信号。这种提取光电信号的方法实际上是监视结 电容经光照放电后恢复初始条件时所补充的电荷量，故称之为再充电取样法。重复图 111(b入（©）两步，即可不断地从负载电阻上得到光电输出信号，从而使阵列中的每 一个光电二极管能连续地进行摄像，图11-2给出了结电容上的电压和负载上的输出信号 电压随时间变化的曲线。显然，输出信号脉冲峰值为 URmn=Uc-U=2,IC (11-2) 当积分时间固定时，Qπ与入射光通量成正比，故输出脉冲峰值亦与入射光通量成 正比
·198· 11-1 所示的几步实现的。作为准备，首先闭合开关 S ，如图 11-1（a），光电二极管处于 反偏，电荷储存在耗尽层的结电容上，相当于对结电容反向充电。由于光电流 IL 及暗电 流 Id 很小，充电过程达到稳定时，PN 结上的电压基本接近电源电压 UC。然后，打开开 关 S 图 11-1（b），此时，由于光照产生电子—空穴对而使结电容缓慢放电。电子—空穴 对产生的速率与入射光强度成正比，故结电容亦以相同的速率放电。因此，在固定的时 间 内，储存电荷移走的数量 Q 与入射光强度成正比，这段时间称为光积分时间。光 积分结束时，结电容上的电压降为 UC ，其值为 Uc =Uc − J Q C （11-1） 式中，CJ 为结电容。 光积分结束后，再次合上开关 S 图 11-1（c），二极管再次被充电至 UC，再充电电 流流经负载电阻所产生的压降即为光电信号。这种提取光电信号的方法实际上是监视结 电容经光照放电后恢复初始条件时所补充的电荷量，故称之为再充电取样法。重复图 11-1（b）、（c）两步，即可不断地从负载电阻上得到光电输出信号，从而使阵列中的每 一个光电二极管能连续地进行摄像。图 11-2 给出了结电容上的电压和负载上的输出信号 电压随时间变化的曲线。显然，输出信号脉冲峰值为 URmax =UC −Uc =Q / CJ （11-2） 当积分时间固定时，Q 与入射光通量成正比，故输出脉冲峰值亦与入射光通量成 正比
第11章图像传感器 199 （a切的状态 (b)无制分 图11光电二极管阵列的工作原理 与实际的光电二极管阵列中，开关采用MOS场效应管，在其栅极加上时钟脉冲 就可以控制其导通或截止。由于MOS场效应晶体管的结电容和导通电阻的影响，实际 的输出脉冲信号峰值电压比式(11-2)给出的值略小。 再充电提取光电信号的另一种方法是直接检测光电二极管结电容上的电压，其单元 电路如图11-3所示，这里，采用了与反馈电容C相并联的电荷积分放大器代替了负载 电阻。当MOS管V导通时，输出端通过放大器对光电二极管再充电，根据反相放大器 的原理，放大器的输出电压为 (11-3) 式中，UcΦ为光电二极管结电容上的电压
11 ·199· 图 11-1 光电二极管阵列的工作原理 与实际的光电二极管阵列中，开关采用 MOS 场效应管，在其栅极加上时钟脉冲， 就可以控制其导通或截止。由于 MOS 场效应晶体管的结电容和导通电阻的影响，实际 的输出脉冲信号峰值电压比式（11-2）给出的值略小。 再充电提取光电信号的另一种方法是直接检测光电二极管结电容上的电压，其单元 电路如图 11-3 所示，这里，采用了与反馈电容 Cf相并联的电荷积分放大器代替了负载 电阻。当 MOS 管 V 导通时，输出端通过放大器对光电二极管再充电，根据反相放大器 的原理，放大器的输出电压为 0 u = f Q C = CD u （11-3） 式中，UCD 为光电二极管结电容上的电压
·200 传感器技术设计与应用 9 (a)结电容上的电压波是 Ce-U (6)输出合号电压淡形 图112光电二极管阵列的输出信号 图11·3光电二极管阵列的信号检测单元电路 当然，这里忽略了MOS管的内阻和放大器输入端的分布电容的影响。一个光电二 极管阵列中包含有多到数干个光电二极管，因此，在应用中，必须以一定次序将各个光 电二极管的光电信号逐一取出来，这就是扫描输出.图11-4示出了面阵器件扫描输出结 构的一个例子。以一定的时序分别在各X线和Y线上加上低脉冲，分别选通X线和Y线 上的MOS管开关，就可以逐一将各光电二极管的信号取出。例如，要对Xm行、Y列 上的光电二极管进行信号读取，可先在X行线上加上低脉冲，使该行的MOS管V,导 通，再在Y线列上加上低脉冲，使Y列上的MOs管V1导通，读取信号后将Yn列上 的低脉冲移至Y+1列。这样，依次可读取Xm行上所有光电二极管的信号，随后将X 行线上的低脉冲移至Xm+1行，继续读取下一行的信号，直至将整个阵列中的光电二极 管信号均读取出来，完成一帧图像的输出。从输出端得到的信号为类似于电视摄像机输 出的视频信号。光纯二极管的光积分在X线上的MOS管关断时进行。反复进行上述扫 描过程，尽可以完成连续的摄像或检测
·200· 图 11-2 光电二极管阵列的输出信号 图 11-3 光电二极管阵列的信号检测单元电路 当然，这里忽略了 MOS 管的内阻和放大器输入端的分布电容的影响。一个光电二 极管阵列中包含有多到数千个光电二极管，因此，在应用中，必须以一定次序将各个光 电二极管的光电信号逐一取出来，这就是扫描输出。图 11-4 示出了面阵器件扫描输出结 构的一个例子。以一定的时序分别在各 X 线和 Y 线上加上低脉冲，分别选通 X 线和 Y 线 上的 MOS 管开关，就可以逐一将各光电二极管的信号取出。例如，要对 Xm行、Yn 列 上的光电二极管进行信号读取，可先在 Xm行线上加上低脉冲，使该行的 MOS 管 V2导 通，再在 Yn 线列上加上低脉冲，使 Yn 列上的 MOS 管 V1 导通，读取信号后将 Yn 列上 的低脉冲移至 Yn+1 列。这样，依次可读取 Xm行上所有光电二极管的信号，随后将 Xm 行线上的低脉冲移至 Xm+1 行，继续读取下一行的信号，直至将整个阵列中的光电二极 管信号均读取出来，完成一帧图像的输出。从输出端得到的信号为类似于电视摄像机输 出的视频信号。光电二极管的光积分在 X 线上的 MOS 管关断时进行。反复进行上述扫 描过程，尽可以完成连续的摄像或检测
第11章图像传感器 ·201· 用于驱动MOS管的行脉冲和列脉冲时序，如图115所示，这些时钟脉冲通常由移 位寄存器提供。 x. TX. V: 图114二维面阵光电二极管的扫描输出结构 图115行线和列线上的扫描脉冲波形 光电二极管阵列的图像分辩率于光敏单元的尺寸和间距，光敏单元之间的间距一般 在2.5~12.5μm之间。面阵中的光电二极管形状通常接近方阵，而在线列中，为了增大 光敏面积，光电二极管的形状做成长方形，因而增加宽度并不影响线阵的分辨率。 光电二极管由于工作在电荷存储方式，因此具有较宽的动态范围，在低光强度照射 时，可以通过延长曝光时间（即光积分时间）来提高灵敏度。其最小可测光强主要受到 光电二极管阵列噪声的限制。光电二极管阵列的噪声除了固有的光子散粒躁声外，在信 号取出过程中也会引入噪声，例如时钟脉冲会通过MOS管开关上的结电容耦合到输出 端去。但限制器件可测光强下限的主要原因是暗电流噪声。光电二极管在光积分期内 即使没有入射光照射，由于热效应产生的空穴电子对与储存的电荷复合，从而使结电 容缓慢地放电。这种电流称为暗电流。显然，暗电流随积分时间的增加而增大。因此
11 ·201· 用于驱动 MOS 管的行脉冲和列脉冲时序，如图 11-5 所示，这些时钟脉冲通常由移 位寄存器提供。 图 11-4 二维面阵光电二极管的扫描输出结构 图 11-5 行线和列线上的扫描脉冲波形 光电二极管阵列的图像分辨率于光敏单元的尺寸和间距，光敏单元之间的间距一般 在 2.5~12.5μm 之间。面阵中的光电二极管形状通常接近方阵，而在线列中，为了增大 光敏面积，光电二极管的形状做成长方形，因而增加宽度并不影响线阵的分辨率。 光电二极管由于工作在电荷存储方式，因此具有较宽的动态范围，在低光强度照射 时，可以通过延长曝光时间（即光积分时间）来提高灵敏度。其最小可测光强主要受到 光电二极管阵列噪声的限制。光电二极管阵列的噪声除了固有的光子散粒噪声外，在信 号取出过程中也会引入噪声，例如时钟脉冲会通过 MOS 管开关上的结电容耦合到输出 端去。但限制器件可测光强下限的主要原因是暗电流噪声。光电二极管在光积分期内， 即使没有入射光照射，由于热效应产生的空穴-电子对与储存的电荷复合，从而使结电 容缓慢地放电。这种电流称为暗电流。显然，暗电流随积分时间的增加而增大。因此
·202 传感器技术设计与应用 当入射光很微弱时，如果积分时间过长，信号将会被暗电流所淹没， 暗电流与光纯二极管的尺寸、偏压、硅的体内特性和生产工艺有关。暗电流随光电 二极管周长的变化化随光电二极管面积的变化强烈得多，而信号光电流与面积成正比， 所以随着光电二极管面积的缩小，信号电流比暗电流减小得更快，即信号电流与暗电流 之比随着光电二极管的面积缩小而变差，因而尺寸小的光电二极管阵列的低光强检测能 力也相应降低。另外，降低温度是将点电流的一种有效的办法，温度每降低10℃，暗 电流大约可降低一半 光电二极管阵列的可测光强上限取决于器件允许使用的最高时钟频率。最高时钟频 率也确定了器件的最短积分时间。如果在器件最短可用积分时间内，由于入射光照过强 使光电二极管的结电容完全放电，这就称为绝对饱和， 对于固定的积分时间来说，光电二极管阵列的动态范围取决于噪声电和饱和电平之 比。在充电取样的典型的范围为102，即40B。如果积分时间随入射光强度不同而改变， 则达到极限值之间的动态范围可达103-10，即60-120B. 11.1.2光电三极管阵列的结构及工作原理 光电三极管亦可工作于电荷储存模式，并象光电二极管一样，可集成在一起组成阵 列，与之类似，光电三极管阵列也需要有驱动取样电路来读取光电信号， 普通光电三极管工作于积分模式时的工作电路及电压波形如图11-6所示其工作原
·202· 当入射光很微弱时，如果积分时间过长，信号将会被暗电流所淹没。 暗电流与光电二极管的尺寸、偏压、硅的体内特性和生产工艺有关。暗电流随光电 二极管周长的变化比随光电二极管面积的变化强烈得多，而信号光电流与面积成正比， 所以随着光电二极管面积的缩小，信号电流比暗电流减小得更快，即信号电流与暗电流 之比随着光电二极管的面积缩小而变差，因而尺寸小的光电二极管阵列的低光强检测能 力也相应降低。另外，降低温度是将点电流的一种有效的办法，温度每降低 10°C，暗 电流大约可降低一半。 光电二极管阵列的可测光强上限取决于器件允许使用的最高时钟频率。最高时钟频 率也确定了器件的最短积分时间。如果在器件最短可用积分时间内，由于入射光照过强， 使光电二极管的结电容完全放电，这就称为绝对饱和。 对于固定的积分时间来说，光电二极管阵列的动态范围取决于噪声电和饱和电平之 比。在充电取样的典型的范围为 102，即 40dB。如果积分时间随入射光强度不同而改变， 则达到极限值之间的动态范围可达 103~106，即 60~120dB. 光电三极管亦可工作于电荷储存模式，并象光电二极管一样，可集成在一起组成阵 列，与之类似，光电三极管阵列也需要有驱动取样电路来读取光电信号。 普通光电三极管工作于积分模式时的工作电路及电压波形如图 11-6 所示，其工作原
第11章图像传感器 ·203· 理为：当取样脉冲加到集电极时，对BC结势垒电容Cc充电。当脉冲过去时，集电极 为低电平，充在CBC上的电荷将与Ce分摊，使两个PN结均处于反偏。在电荷作此再 分布时，将有电流流过负载R,故在输出端出现了一个小的负脉冲。此时，如果有光 照射，因两PN个结都处于反偏，B、C结上的光电二极管产生的光生载流子，将使两个 电容放电，所放的电量正比于光生电流对时间的积分。这段时间称为积分时间。当下一 个取样脉冲到来，给C℃再充电时，在R两端将输出一脉冲信号，信号的幅度正比于 Cc上所放掉的电荷总量，该电荷总量包括由光生电流Cc放掉的电荷量、Cc分摊给 C趾的电荷量及反向PN结的漏电流（或称暗电流）引起的放电电荷。 与一般的晶体管集成电路的工艺一样，但发射机光电三极管阵列需作隔离扩散，工 序较多，成品率及集成均受限制。另一种结构的光电三极管阵列称为双发射光电三极管 阵列，这种阵列的特点在于不需要隔离扩散，工艺简单，因而集成度和成品率可以进一 步提高。此外，这种结构还减少了寄生电容。 双发射极光电三极管的单元电路及工作原理示于图11-7中，当E,加上读出斜脉冲 时，可以在E上将信号读出。在分析时，把E2、B结看成一个电容，当Ue电位发生瞬 变时，B的电位随着增减，E2B结的电容起着耦合电容的作用， 当UE:从1的值降到，的零值时E2B结的电容使B的电位也随之下降同样的幅度 此时，B的电位变成负值，在到这段时间，由于光照，产生的光电载流子将使基区
11 ·203· 理为：当取样脉冲加到集电极时，对 BC 结势垒电容 CBC充电。当脉冲过去时，集电极 为低电平，充在 CBC上的电荷将与 CBE 分摊，使两个 PN 结均处于反偏。在电荷作此再 分布时，将有电流流过负载 RL，故在输出端出现了一个小的负脉冲。此时，如果有光 照射，因两 PN 个结都处于反偏,B、C 结上的光电二极管产生的光生载流子，将使两个 电容放电，所放的电量正比于光生电流对时间的积分。这段时间称为积分时间。当下一 个取样脉冲到来，给 CBC再充电时，在 RL 两端将输出一脉冲信号，信号的幅度正比于 CBC 上所放掉的电荷总量，该电荷总量包括由光生电流 CBC 放掉的电荷量、CBC 分摊给 CBE 的电荷量及反向 PN 结的漏电流（或称暗电流）引起的放电电荷。 与一般的晶体管集成电路的工艺一样，但发射机光电三极管阵列需作隔离扩散，工 序较多，成品率及集成均受限制。另一种结构的光电三极管阵列称为双发射光电三极管 阵列，这种阵列的特点在于不需要隔离扩散，工艺简单，因而集成度和成品率可以进一 步提高。此外，这种结构还减少了寄生电容。 双发射极光电三极管的单元电路及工作原理示于图 11-7 中，当 E2 加上读出斜脉冲 时，可以在 E1 上将信号读出。在分析时，把 E2、B 结看成一个电容，当 UE2 电位发生瞬 变时，B 的电位随着增减, E2B 结的电容起着耦合电容的作用。 当 UE2从 t1 的值降到 t2 的零值时，E2B 结的电容使 B 的电位也随之下降同样的幅度。 此时，B 的电位变成负值，在 t2到 t3 这段时间，由于光照，产生的光电载流子将使基区
·204 传感器技术设计与应用 (P区)的电位升高。换言之，在读出终了时已对恪结电容进行了充电，在时均为反偏。 在2~t期间内光照产生的电流不断使结电容放电，这段时间即为积分时间。从6起又开 始读出，B的电位随UE:上升而上升。从t到电位上升到零的时间成为延时时间：，当 BE结变为正向偏压时，便有一信号输出。到七时，B的电位最高，输出信号达到峰值 此后随电流的输出，B电位下降，最后当电流降到零时，B电位也降到零，同时完成再 充电。 ()单元电路 中第强度 光太强 无光强 (b)信号波形 图116光电三极管的积盼工作模式 图11·7双发射结光电三极管阵列单元电路及 工作原理 当照射光很强或积分时间太长时，使B电位在之前升到零，这种情况称为饱和状
·204· (P 区)的电位升高。换言之，在读出终了时已对各结电容进行了充电，在 t2 时均为反偏。 在 t2~t3 期间内光照产生的电流不断使结电容放电，这段时间即为积分时间。从 t3 起又开 始读出，B 的电位随 UE2 上升而上升。从 t3 到电位上升到零的时间成为延时时间 td，当 BE 结变为正向偏压时，便有一信号输出。到 t4 时，B 的电位最高，输出信号达到峰值， 此后随电流的输出，B 电位下降，最后当电流降到零时，B 电位也降到零，同时完成再 充电。 图 11-6 光电三极管的积分工作模式 图 11-7 双发射结光电三极管阵列单元电路及 工作原理 当照射光很强或积分时间太长时，使 B 电位在 t3 之前升到零，这种情况称为饱和状
第11章图像传感器 ·205· 态，此时等于零，输出信号也达到了饱和值。积分期间可释放的电荷量为句时，BE 结所储存的电荷Qr,其饱和值为Qs Qp=CE2 UE2 (11-4) 当Q<Qs时，输出信号的峰值可近似表示为 wG品cu (11-5) 式中，Un约等于0.7V 输出信号的大小主要由E2上所充的电荷量 所决定，图11-8为饱和输出信号峰值Us与激 0-20 励斜脉冲上升时间：的关系曲线，它以光电三 100 极管的放大倍数郎。为变量。由图可见，在陡的 (ns) 阶跃脉冲驱动下，Us随，的增加而增加，但 图11-8饱和信号峰值电压U,与1的关系 很快趋于饱和，所以，工作在积分模式的阵列与普通的光电三极管不一样，它并不需大 的邹。来增加灵敏度，而是靠提高量子效率来增加灵敏度。显然，Ez面积大，Ca也大， Q就大，输出信号的饱和值就大。因此，若需求光电三极管阵列有大的动态范围，应 将E2的面积做大一些 11.2电荷耦合器件及图像传感器 电荷耦合器件（简称CCD)的发明始于1969年，在其后几年中发展迅速，并得到
11 ·205· 态，此时 td 等于零，输出信号也达到了饱和值。积分期间可释放的电荷量为 t=t1 时，BE2 结所储存的电荷 QP，其饱和值为 QPS Qps =CE 2 UE2 （11-4） 当 QP<QPS时，输出信号的峰值可近似表示为 UP = 2 P E C Q C C+ -UD （11-5） 式中，UD 约等于 0.7 V 输出信号的大小主要由E2上所充的电荷量 所决定，图 11-8 为饱和输出信号峰值 UPS与激 励斜脉冲上升时间 的关系曲线，它以光电三 极管的放大倍数β 0 为变量。由图可见，在陡的 阶跃脉冲驱动下，UPS随β 0 的增加而增加，但 很快趋于饱和，所以，工作在积分模式的阵列与普通的光电三极管不一样，它并不需大 的β 0 来增加灵敏度，而是靠提高量子效率来增加灵敏度。显然，E2 面积大，CE2 也大， QPS 就大，输出信号的饱和值就大。因此，若需求光电三极管阵列有大的动态范围，应 将 E2 的面积做大一些。 电荷耦合器件（简称 CCD）的发明始于 1969 年，在其后几年中发展迅速，并得到 图 11-8 饱和信号峰值电压 UPS 与 t的关系
·206 传感器技术设计与应用 了广泛的应用。CCD并不是一种新发明的器件，它可以说是电MOS容器的一种新的说 法。在适当次序的时钟控制下，CCD能够使电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电 荷的转移。利用这个机理便可实现多种的电子功能，在作为光敏器件是可用于图像的传 感，即成为固体摄像器件。此外CCD,还可作为信息处理和信息存储器件 11.2.1电荷耦合器件的工作原理及结构 112.1.1金属-氧化物-半导体材料(MOS)电容 CCD是由按照一定规律排列的MOS电容阵列组成的。其中金属为MOS结构上的 电极，称为“栅极”（此栅极材料不使用金属而使用能够透过一定波长范围的光的多晶 硅薄膜。半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容，如 图119所示，这种电容器具有一般电容器所设有的一些特性，MOS的工作原理就是基 于这些特性。因此，在介绍的MOS工作原理之前，先简单介绍一下MOS电容的特性。 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处是 电中性的，因而能带（代表电子的能星）从表面到内部是平的，这就是平带条件。所谓 理想情况主要是忽略氧化层中的电荷及界面态电荷（一般均为正电荷），且三层之间没 有电荷交换。图11-10(a)为平带条件下的能带图。 若在金属电极上相对于半导体加上正电压UG,当U6较小时，P型半号体表面的多 数截流子空穴受到金属中正电荷的排拆、从而离开表面而留下电离的受主杂质离子，在
·206· 了广泛的应用。CCD 并不是一种新发明的器件，它可以说是电 MOS 容器的一种新的说 法。在适当次序的时钟控制下，CCD 能够使电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电 荷的转移。利用这个机理便可实现多种的电子功能，在作为光敏器件是可用于图像的传 感，即成为固体摄像器件。此外 CCD，还可作为信息处理和信息存储器件。 11.2.1.1 金属-氧化物-半导体材料（MOS）电容 CCD 是由按照一定规律排列的 MOS 电容阵列组成的。其中金属为 MOS 结构上的 电极，称为“栅极”（此栅极材料不使用金属而使用能够透过一定波长范围的光的多晶 硅薄膜）。半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容，如 图 11-9 所示，这种电容器具有一般电容器所没有的一些特性，MOS 的工作原理就是基 于这些特性。因此，在介绍的 MOS 工作原理之前，先简单介绍一下 MOS 电容的特性。 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，这就是平带条件。所谓 理想情况主要是忽略氧化层中的电荷及界面态电荷（一般均为正电荷），且三层之间没 有电荷交换。图 11-10(a)为平带条件下的能带图。 若在金属电极上相对于半导体加上正电压 UG，当 UG 较小时，P 型半导体表面的多 数截流子空穴受到金属中正电荷的排斥、从而离开表面而留下电离的受主杂质离子，在