电荷耦合器件CCD课件.ppt

电荷和静电场导体和电介质课件.ppt

,第 十 章,导体和电介质,一掌握导体静电平衡条件，能分析带电导体在静电场,二掌握有导体存在时场强与电势分布的计算方法。,三理解电容的定义，掌握电容的计算方法。,基 本 要 求,六理解电场能量，掌握电场能量的计算方法。,中的电荷分布。,四了,

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1、1,8-3 电荷耦合器件CCD背景知识： 人们获取的信息量的绝大部分都是通过视觉器官得到的，为此获得性能良好的图像传感器一直是人们的追求，早期的非固态图像传感器-电子束摄像管与后来的固态图像传感器相比，有工作电压高，功耗大，寿命短，笨重等众多缺点。而固态图像传感器的开发直到集成电路出现后才开始，而怎样将光照到半导体产生的电信号，正确有效取出是图像传感器固态化最大的问题。,第8章 固态传感器,2,8-3 电荷耦合器件CCD背景知识：,1969年，为了改进存储技术，美国贝尔实验室的维拉博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治史密斯（George E. Smith）将可视电话和半导体泡存储技。

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第五章 电流和电路,一 电 荷,用一把塑料调羹在衣服上擦几下，就可以使水龙头中流出的水流偏各一边。,电子,梳理过后的头发带负电荷,带正电荷的发梳,摩擦起电,带电物吸引轻小物体,一电荷 1. 物体有了吸引轻小物体的性质，就说物体带了电，或者说,

2、术结合，设计了可以沿半导体表面传导电荷的“电荷泡器件”（Charge “Bubble” Devices），率先发明了CCD （Charge Coupled Device，电荷耦合件），并在次年以 “Charge Coupled Semiconductor Devices”为题发表论文，元件本身开始是被当作单纯的存储器使用 。由于它能存储并传输信号电荷，随后人们认识到，CCD还可以利用内光电效应来拍摄并存储图象，具备图像传感器的功能。,第8章 固态传感器,3,8-3 电荷耦合器件CCD背景知识： 经过人们30多年的研究与开发，CCD在像素集成度、分辨力、灵敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其。

3、应用正从一维、二维向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，目前CCD已成为光子探测及视频采集领域最重要的技术，已被普遍认为是20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一，得到了广泛应用。,第8章 固态传感器,4,8-3 电荷耦合器件电荷耦合器件(Charge-Coupled Device (简称CCD)）说明：CCD并不是一种新发明的器件，是MOS电容器的一种新的用法。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换。CCD主要功能：信息处理和信息存储器件固态图像传感 有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工。

4、作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。 被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。,第8章 固态传感器,5,MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片,CCD光敏元显微照片,CCD读出移位寄存器的数据面显微照片,第8章 固态传感器,8-3 电荷耦合器件,1 CCD器件结构 CCD是由一系列排得很紧密的MOS（金属-氧化物-半导体)电容器组成。,6,彩色CCD显微照片（放大7000倍）,第8章 固态传感器,8-3 电荷耦合器件,1 CCD器件结构 CCD是由一系列排得很紧密的MOS（金属-氧化物-半导体)电容器组成。,。

5、7,1 CCD器件结构 它是以电荷作为信号，通过电荷的存储和转移，来实现信号的存储和转移，这是它的突出特点。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。以下分别说明。 作为CCD的基本单元MOS电容器的结构如图1所示。在硅片上通过氧化生成一层SiO2为绝缘层(0.1m)，再蒸镀一层小面积金属作为电极，称栅极，半导体硅(以P型硅为例）作为底电极，又称衬底。(电容器间隔1m) 图1 MOS电容器结构示意图,第8章 固态传感器,8-3 电荷耦合器件,8,半导体物理学知识告诉我们，热或光的激发可在半导体内产生电子-空穴对，故半导体载流子有带负电荷的电子，也有带正电荷的空穴。P型半。

6、导体里空穴浓度高，为多数载流子，电子浓度少，为少数载流子，N型半导体则相反。 当外界有光信号射入到MOS电容器的P型半导体内时，会产生电子-空穴对，光越强，电子-空穴对越多，这样光的强弱就与电子-空穴对的数量对应起来，信号电荷产生了，光信号就转换为电信号。,2 信号电荷的产生,第8章 固态传感器,8-3 电荷耦合器件,9,外加电压条件 VG =0：如果在MOS栅极G上施加VG=0时，P型半导体从体内到表面处是电中性的（忽略氧化层中电荷及界面态电荷）。,图2 栅极电压为0V,2 信号电荷的存储,8-3 电荷耦合器件,第8章 固态传感器,10,外加电压条件 0VG VT：如果在MOS栅极G上施加正电压VG，当VG较小时（0VGVT），P型半导体表面的多数载流子空穴被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，在半导体表面层中形成带负电的耗尽层。,图2 栅极电压小于阀值电压,2 信号电荷的存储,8-3 电荷耦合器件,第8章 固态传感器,11,外加电压条件 VGVT如果在MOS栅极G上施加足够大的正电压VG （VG VT )，由此产生的半导体与绝缘体界面上的电势（称为表面势）很高。