第4章CCD工作原理解析
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＋4
能量增加
导带 1.12 eV 价带
＋4
＋4
＋4
＋4
硅和锗都是金刚石 晶格结构
共价键示意图
硅的能级图
电荷的生成 能带理论复习
通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发 到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要 超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV, 砷化镓的Eg＝1.42eV)。
积累层
Vg<0
氧化物 P型半导体 金属 EC VG>0 EFm EFp
W
Vg>0
栅电极
栅极电压Vg>0,电场 SiO2 排斥空穴吸引电子，越 接近表面空穴浓度越小，
Ev
耗尽层
P-Si
形成空穴耗尽层。
氧化物 Vg》0 P型半导体 金属 栅电极 EC EFp VG》0 EFm Ev
W
反型层
栅极电压Vg》0,电 SiO2 场排斥空穴吸引电子， 越接近表面空穴浓度越
Ev
栅极电压Vg=0,p型 半导体中均匀的空穴 （多数载流子）分布， 半导体中能量线延伸 到表面并与表面垂直。
氧化物 金属 EFm VG<0 P型半导体 EC
EFp Ev
栅极电压Vg<0,电 栅电极 SiO2 场排斥电子吸引空穴， 使表面电子能量增大， 表面处能带向上弯曲， 越接近表面空穴浓度越 P-Si 大，形成空穴积累层。
CCD概述
• 电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）
CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）图像传感器
主要有两种基本类型，表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；体
沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。
电 荷 耦 合 器 件 C C D
线阵CCD
y4
y1
y2
y3 y4
x1
x2
x3
CCD（线阵列）的结构示意图和工作流程图
1 前照明光输入
4 电荷转移 5 电荷测量
3 电荷收 集 2 电荷生成
视频输出
1 背照明光输入
此图摘自 James Janesick “Dueling Detectors”
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 CCD基本工作原理
第四章 CCD工作原理
内容
• • • • • • • CCD概述 CCD工作过程 电荷的生成 电荷的收集 电荷包的转移 电荷包的测量 小结
参考书 1 《电荷耦合器件原理 与应用》王以铭 科学出 版社 1987年 2 《CCD Arrays Cameras and Displays》 Gerald C. Holst SPIE 1998
栅电极
Vg《0
栅电极
SiO2
P-Siwenku.baidu.com
n-Si
反型层
SiO2
反型层
P型衬底n沟道
n型衬底p沟道
p型衬底，栅极加正电压，反
型层是负电荷，称为n 沟道，
n型衬底，栅极加负电压，反
型层是正电荷，称为p沟道。
电荷的转移
Vg=0
栅电极
Vg>0
栅电极
Vg>>0 SiO2
栅电极
SiO2
P-Si
耗尽层
SiO2
P-Si
P-Si
反型层
Vg>>0
源
转移栅电极
输出栅
漏
n
n-沟道 P-Si 衬底
n
SiO2
电荷的转移
CCD真正工作时，Vg>0,恰好 能产生势阱
源
CCD是由金属－氧化物－半导体构成的密排器件，简称MOS 结构，它实际就是一个MOS电容。
CCD线 阵列
这种结构再加上 输入、输出结构 就构成了N位CCD。
CCD 单元
CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。
氧化物 金属 P型半导体
EFm
Vg=0 EC 栅电极 SiO2
P-Si
EFp
面阵CCD
CMOS-CCD 图像传感器的应用
保安监视
PC摄像头 机顶盒 玩具 数码相机
医疗仪器图8-82 CMOS器件的应用情况
手机 可视电话
汽车 生物特征识别 条码识别
PDA
CCD工作原理简示图
y1
R:G:B=139:0:225 y2 R:G:B=225:0:0
y3
紫色 紫色 红色 蓝色
R:G:B=0:0:225
P-Si
P-Si
P-Si
VG 空势阱
填满1/3势阱
全满势阱
电荷的存储
当金属电极上加正电压时， 由于电场作用，电极下P型 硅区里空穴被排斥入地成耗 尽区。对电子而言，是一势 能很低的区域，称“势阱”。 有光线入射到硅片上时，光 子作用下产生电子—空穴对， 空穴被电场作用排斥出耗尽 区，而电子被附近势阱（俘 获），此时势阱内吸的光子 数与光强度成正比。
对空穴来说 是 “势垒”
电荷的存储
VG
+ + + + + + + + -
+ + -
+
-
+ + -
-
+
-
+
-
电荷的转移
CCD工作过程的第三步是电荷包的转移， 是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到 下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过 程。
电荷的转移
反型层的出现在SiO2衬底之间建立了导电机构， Vg》0
信号电荷的传输
信号电荷的检测 基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
电荷的生成—能带理论复习
半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格 : 每个原子被四 个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分 别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共 价键。每个电子对组成一个共价键，组成共价键的电子称为价 电子。价电子通常位于价带，不能导电。
hc 1.24 c [ m] Eg Eg (eV )
2-3
当 c 时，光子没有足够的能量将电子由价 带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对 于本征(intrinsic)硅有：
Eg 1.12eV
这是CCD的长波限制
c 1.11m
电荷的产生原理动画
光电导效应
电荷的存储（以MOS电容为例）
空穴
电子
电荷的生成
如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等 于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就 可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。 用公式表示如下:
E ph E g
E ph h hc
2-1
2-2
其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。
电荷的生成
光电效应中有一个临界波长（c ），定义为：
小，电子浓度甚至超过
P-Si
空穴浓度，形成反型层。
表面势与势阱（电荷存储） 半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG 表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯
曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大， 通常称其为势阱。注入电子形成电荷包 VG=12伏 VG=2V VG=6伏
0 5 10 15 伏
能量增加
导带 1.12 eV 价带
＋4
＋4
＋4
＋4
硅和锗都是金刚石 晶格结构
共价键示意图
硅的能级图
电荷的生成 能带理论复习
通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发 到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要 超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV, 砷化镓的Eg＝1.42eV)。
积累层
Vg<0
氧化物 P型半导体 金属 EC VG>0 EFm EFp
W
Vg>0
栅电极
栅极电压Vg>0,电场 SiO2 排斥空穴吸引电子，越 接近表面空穴浓度越小，
Ev
耗尽层
P-Si
形成空穴耗尽层。
氧化物 Vg》0 P型半导体 金属 栅电极 EC EFp VG》0 EFm Ev
W
反型层
栅极电压Vg》0,电 SiO2 场排斥空穴吸引电子， 越接近表面空穴浓度越
Ev
栅极电压Vg=0,p型 半导体中均匀的空穴 （多数载流子）分布， 半导体中能量线延伸 到表面并与表面垂直。
氧化物 金属 EFm VG<0 P型半导体 EC
EFp Ev
栅极电压Vg<0,电 栅电极 SiO2 场排斥电子吸引空穴， 使表面电子能量增大， 表面处能带向上弯曲， 越接近表面空穴浓度越 P-Si 大，形成空穴积累层。
CCD概述
• 电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）
CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）图像传感器
主要有两种基本类型，表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；体
沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。
电 荷 耦 合 器 件 C C D
线阵CCD
y4
y1
y2
y3 y4
x1
x2
x3
CCD（线阵列）的结构示意图和工作流程图
1 前照明光输入
4 电荷转移 5 电荷测量
3 电荷收 集 2 电荷生成
视频输出
1 背照明光输入
此图摘自 James Janesick “Dueling Detectors”
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 CCD基本工作原理
第四章 CCD工作原理
内容
• • • • • • • CCD概述 CCD工作过程 电荷的生成 电荷的收集 电荷包的转移 电荷包的测量 小结
参考书 1 《电荷耦合器件原理 与应用》王以铭 科学出 版社 1987年 2 《CCD Arrays Cameras and Displays》 Gerald C. Holst SPIE 1998
栅电极
Vg《0
栅电极
SiO2
P-Siwenku.baidu.com
n-Si
反型层
SiO2
反型层
P型衬底n沟道
n型衬底p沟道
p型衬底，栅极加正电压，反
型层是负电荷，称为n 沟道，
n型衬底，栅极加负电压，反
型层是正电荷，称为p沟道。
电荷的转移
Vg=0
栅电极
Vg>0
栅电极
Vg>>0 SiO2
栅电极
SiO2
P-Si
耗尽层
SiO2
P-Si
P-Si
反型层
Vg>>0
源
转移栅电极
输出栅
漏
n
n-沟道 P-Si 衬底
n
SiO2
电荷的转移
CCD真正工作时，Vg>0,恰好 能产生势阱
源
CCD是由金属－氧化物－半导体构成的密排器件，简称MOS 结构，它实际就是一个MOS电容。
CCD线 阵列
这种结构再加上 输入、输出结构 就构成了N位CCD。
CCD 单元
CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。
氧化物 金属 P型半导体
EFm
Vg=0 EC 栅电极 SiO2
P-Si
EFp
面阵CCD
CMOS-CCD 图像传感器的应用
保安监视
PC摄像头 机顶盒 玩具 数码相机
医疗仪器图8-82 CMOS器件的应用情况
手机 可视电话
汽车 生物特征识别 条码识别
PDA
CCD工作原理简示图
y1
R:G:B=139:0:225 y2 R:G:B=225:0:0
y3
紫色 紫色 红色 蓝色
R:G:B=0:0:225
P-Si
P-Si
P-Si
VG 空势阱
填满1/3势阱
全满势阱
电荷的存储
当金属电极上加正电压时， 由于电场作用，电极下P型 硅区里空穴被排斥入地成耗 尽区。对电子而言，是一势 能很低的区域，称“势阱”。 有光线入射到硅片上时，光 子作用下产生电子—空穴对， 空穴被电场作用排斥出耗尽 区，而电子被附近势阱（俘 获），此时势阱内吸的光子 数与光强度成正比。
对空穴来说 是 “势垒”
电荷的存储
VG
+ + + + + + + + -
+ + -
+
-
+ + -
-
+
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-
电荷的转移
CCD工作过程的第三步是电荷包的转移， 是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到 下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过 程。
电荷的转移
反型层的出现在SiO2衬底之间建立了导电机构， Vg》0
信号电荷的传输
信号电荷的检测 基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
电荷的生成—能带理论复习
半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格 : 每个原子被四 个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分 别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共 价键。每个电子对组成一个共价键，组成共价键的电子称为价 电子。价电子通常位于价带，不能导电。
hc 1.24 c [ m] Eg Eg (eV )
2-3
当 c 时，光子没有足够的能量将电子由价 带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对 于本征(intrinsic)硅有：
Eg 1.12eV
这是CCD的长波限制
c 1.11m
电荷的产生原理动画
光电导效应
电荷的存储（以MOS电容为例）
空穴
电子
电荷的生成
如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等 于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就 可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。 用公式表示如下:
E ph E g
E ph h hc
2-1
2-2
其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。
电荷的生成
光电效应中有一个临界波长（c ），定义为：
小，电子浓度甚至超过
P-Si
空穴浓度，形成反型层。
表面势与势阱（电荷存储） 半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG 表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯
曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大， 通常称其为势阱。注入电子形成电荷包 VG=12伏 VG=2V VG=6伏
0 5 10 15 伏