CCD原理

CCD原理

電荷耦合器件（Charge?? Couple?? Device，簡稱CCD）是一種金屬氧化物半導體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號, 基本功能是進行電荷的存儲和電荷的轉移。 CCD自1970年問世以來, 由于其獨特的性能而發(fā)展迅速, 廣泛應用于自動控制和自動測量, 尤其適用于圖像識別技術。 ?
??????? １. CCD原理?
??????? 構成CCD的基本單元是MOS電容器, 如8 - 18(a)所示。與其它電容器一樣, MOS電容器能夠存儲電荷。

??????? 如果MOS電容器中的半導體是P型硅, 當在金屬電極上施加一個正電壓時, 在其電極下形成所謂耗盡層, 由于電子在那里勢能較低, 形成了電子的勢阱, 如圖8 - 19(b)所示, 成為蓄積電荷的場所。CCD的最基本結構是一系列彼此非常靠近的MOS電容器, 這些電容器用同一半導體襯底制成, 襯底上面履蓋一層氧化層, 并在其上制作許多金屬電極, 各電極按三相（也有二相和四相）配線方式連接, 圖8 - 19為三相CCD 時鐘電壓與電荷轉移的關系。當電壓從φ1相移到φ2相時, φ1相電極下勢阱消失, φ2相電極下形成勢阱。這樣儲存于φ1相電極下勢阱中的電荷移到鄰近的φ2相電極下勢阱中, 實現電荷的耦合與轉移。 ?

CCD原理

??????? CCD的信號是電荷, 那么信號電荷是怎樣產生的呢？CCD的信號電荷產生有兩種方式: 光信號注入和電信號注入。 CCD用作固態(tài)圖像傳感器時, 接收的是光信號, 即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片表面時, 在柵極附近的半導體體內產生電子-空穴對, 其多數載流子（空穴）被排斥進入襯底, 而少數載流子（電子）則被收集在勢阱中, 形成信號電荷, 并存儲起來。存儲電荷的多少正比于照射的光強。所謂電信號注入，就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣, 將信號電壓或電流轉換為信號電荷。 ?
???????? CCD輸出端有浮置擴散輸出端和浮置柵極輸出端兩種形式, 如圖8 - 20所示。

???????? 浮置擴散輸出端是信號電荷注入末級浮置擴散的PN結之后, 所引起的電位改變作用于MOSFET的柵極。這一作用結果必然調制其源-漏極間電流, 這個被調制的電流即可作為輸出。當信號電荷在浮置柵極下方通過時, 浮置柵極輸出端電位必然改變, 檢測出此改變值即為輸出信號。 ?
??????? 通過上述的CCD工作原理可看出, CCD器件具有存儲、轉移電荷和逐一讀出信號電荷的功能。因此CCD器件是固體自掃描半導體攝像器件, 有效地應用于圖像傳感器。

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