电荷耦合器件的基本原理

CCD是能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程的光电器件。它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。与真空摄像器件相比,CCD还有以下优点：(1)体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长；(2)无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰；(3)象元尺寸精度优于1µm,分辨率高；(4)基本上不保留残象（真空摄像管有15%～20%的残象）。(5)视频信号与微机接口容易。6.1电荷耦合器件的基本原理CCD背景介绍W.S.Boyle与G.E.Smith1969年秋，美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith受磁泡的启示，提出了CCD的概念。CCD是英文ChargeCoupledDevice的缩写，中文为“电荷耦合器件”。电荷耦合器件ChargeCoupledDevice简称CCDCCD的分类􀁹表面沟道电荷耦合器件（SCCD）——信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。􀁹体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）——信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。按电荷转移的沟道分：按光敏元的排列分：线阵CCD􀁹面阵CCDCCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。其应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促进了公安刑侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。CCD的应用CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的，但与MOS晶体管的工作原理不同。MOS晶体管是利用在电极下的半导体表面形成的反型层进行工作的，而CCD是利用在电极下SiO2—半导体界面形成的深耗尽层（势阱）进行工作的，属非稳态器件。6.1.1MOS结构特征CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为0.1-0.2微米的SiO2层，然后按一定次序沉积N个金属电极作为栅极，栅极间的间隙约2.5µm，电极的中心距离15～20µm，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个金属-氧化物-半导体结构，即MOS结构。CCD线阵列CCD单元这种结构再加上输入、输出结构就构成了N位CCD。MOS结构单元－像素由多个像素组成线阵,金属栅极是分立的，氧化物与半导体是连续的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。栅极G金属氧化物半导体UG0P当栅极施加正电压UG（此时UG≤Uth）时，在电场的作用下，电极下Ｐ型区域里的多数载流子空穴被排斥到衬底的底侧，硅表面处留下不能移动的带负电的粒子，产生耗尽区。栅极G金属氧化物半导体UG0P势阱施加正电压空穴耗尽区对于半导体器件，当金属电极加上正电压时，接近半导体表面的空穴被排斥，电子增多，在表面下一定范围内只留下受主离子，形成耗尽区。该区域对电子来说是一个势能很低的区域，也称势阱。加在栅极上的电压愈高，表面势越高，势阱越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。栅极正向电压增加时，势阱变深。－－改变UG，调节势阱深度势阱的形成栅极G金属氧化物半导体UG0PUG＞Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，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（沟道）。深度耗尽状态N型(P沟道）P型(N沟道）UG＞Uth时，耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域，若注入电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。表面处构成了对于电子的“陷阱”，称之为表面势阱，势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似与栅压VG成正比。MOS电容具有存储电荷的能力当势阱中填满了电子,势阱中的电子不再增加了，便达到稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在达到稳态之前完成。CCD的工作条件：稳定条件下，不能向势阱中注入电荷，在非稳定条件下，即在深耗尽时，人为的注入信号电荷，如电注入和光注入，就能达到人为的存储和转移电荷的目的。电子－－被吸入势阱产生电子－空穴对空穴－－栅极电压排斥光注入：产生电子－空穴对6.1.2CCD的势阱深度与电荷的存储势阱的深度与存储能力都是由表面势所决定。GFBSoxUUVU1/2(2)DASQNeV0GIDQQQ1/21(2)GFBsAoxoxneUUVeNeVsCC,,,,GSASoxSSUVNVdVnV简单写成以下形式：这些关系即为CCD的基础理论势阱内吸收的光电子数量与入射光势阱附近的光强成正比。一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷包。光照射到光敏元上时，会产光生电子—空穴对，光生电子将被吸入势阱存储起来，空穴则被排斥到半导体的底侧。电荷包的存储通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千上万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一副明暗起伏的图像，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相对应的光电荷图像。信号电荷包的传输1）通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷包由势阱浅的位置流向势阱深的位置。2）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。3）栅极脉冲电压必须严格满足位相时序要求，保证信号转移按确定方向进行。CCD中电荷包的转移：将电荷包从一个势阱转入相邻的深势阱。基本思想：－－调节势阱深度－－利用势阱耦合6.1.3电荷耦合原理下图是四个彼此紧密排列的MOS电容结构，当栅极电压变化时，我们看看势阱及阱内的信号电荷是如何变化与传输的。当t=t2时，①电极和②电极均加有+10V电压，且两电极靠得很近，这样①电极和②电极下面所形成的势阱就连通，①电极下的部分电荷就流入②电极下的势阱中。当t=t3时，①电极上的电压已由+10V变为+2V，下面的势阱由深变浅，势阱内电荷全部移入②电极下的深势阱中。由上面过程可知，从t1→t3，深势阱从①电极下移动到②电极下面，势阱内的电荷也向右转移了一位。如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位一位地顺序传输，这就是电荷耦合。假设t=t1时，已有信号电荷存贮在偏压为+10V的①号电极下的势阱里，其它三个电极上均加有大于阈值但仍较低的电压（图中为+2V），这些电极下面也有势阱，但很浅。CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构形式。2.CCD电极结构形式