第五章 电荷耦合器件(CCD)..
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信号电荷
想象为存贮在桶底上的流体
填空
CCD的信号来源(电注入)
▪ 所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或者电流 进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注 入的方法很多，这里只介绍两种常用的电流注入法和电压 注入法。
▪ 目前已经不再采用这种方法了，这种功能现在有独立的器 件A/D转换器，即模/数转换器来实现。
▪ CCD 的基本结构应包含转移电极结构、转移沟道 结构、信号输入结构和信号检测结构。
填空
CCD的基本光敏元(电荷存储)
我们先来了解CCD的光敏元。
①P型半导体多数 载流子为空穴②加 正电压，电子做信 号③P 型沟道CCD
它的基础是金属—氧化物—硅MOS电容器
Metal Oxide Semiconductor
电荷转移过程
CCD中电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的 步进控制方式。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定 向转移的过程。
第一时刻，即初始状态时，第一电极外加高电平，其它 电极外加低电平，此时只有第一电极下方具有深势阱，信 号电荷存储于第一电极下方。
第二时刻，第一电极和第二电极外加高电平，第三电极 外加低电平，第二电极下产生深势阱并与第一电极下的势 阱连通，信号电荷变为共有。
第三时刻，保持第二电极高电压，第三电极低电压，将 第一电极转变为低电压，第一电极下的势阱消失的过程中， 信号电荷全部转移到第二电极下的势阱中，完成了一次完 整的信号转移过程。
将第一电极、第二电极更换为任意两个相邻电极重复上 述三步，都可完成电荷转移。
第三电极的存在确保了电荷的定向转移。
CCD 也 存 在 二 相 的电荷转移方式， 在这种方式中设计 了不对称的电极结 构，可以保证电荷 转移的定向性。
CCD原理简介
▪ 电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是 一种集成电路，上有许多排列整齐的细小的半导体 结构，为了便于理解我们简单将其比喻为电容，这 些电容能感应光线，并将影像转变成数字信号。经 由外部电路的控制，每個小电容能将其所帶的电荷 转给它相邻的电容。
▪ 这些小的半导体结构用通俗的语言来说就是像素单 元，用科学语言将叫做光敏元。
的奖金。
填空
电荷耦合G器eo件rg(CeCEDl)w的o发od明S者mith
▪ George Elwood Smith
▪ 喬治 史密斯 ▪ 1930年5月10日
▪ 簡介: ▪ 1930年出生于美國白原市（White Plains） ▪ 美國國籍。 ▪ 1959年從芝加哥大學獲得物理學博士學位。 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美
接地
CCD的单元结构
Байду номын сангаас
CCD的信号转移
CCD图象传感器实际上是由由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成，光敏元件也参与电荷转移。一般来说每 个光敏元有三个相邻的转移电极1、2、3，所有电极彼此离 得足够近，以使硅表面的耗尽区和电荷的势阱交叠，能够 耦合及电荷转移。
输入二极输管入栅Ф1 Ф2
Ф3
输出栅 输出二极管
电荷耦合器件(CCD) Charge Coupled Device)
名词解释
电荷耦合器件(CCD)
电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，其 主要功能是将其表面接收到的光强信号转变为电信号。
目前的数码相机、摄像机、扫描仪、广播电视、可 视电话和无线电传真中大多采用CCD作为图像采集器 件，是这些电子产品的核心。
CCD原理简介
▪ 电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而 不同于其他大多数元件是以电流或者电压为信号。
▪ 所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施 加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在 CCD內作定向传输。 CCD工作过程的核心技术是信 号电荷的产生，存储，传输，和检测。
SiO2
耗尽区
P型Si 电荷转移方向
CCD的MOS结构
CCD中电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的 步进控制方式。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过 程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，不会受到干扰。下面 以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。
简答或论述
t1 t2 t3t4 t5t6t7
CCD的势阱
▪ 光敏元之中的势阱深度与两方面的因素有关：栅极电压和 反型层电荷量。
▪ 栅极电压越大势阱越深。 ▪ 反型层电荷越多，势阱越浅。(可以认为是反型层电荷抵
消了一部分栅极电压)
半导体也可采用N型半导体，如下图所示。①载流N型子半为导电体子多数 ②加负电压 ③N型沟道CCD
。 很薄约1200A
金的奖金。
填空
CCD简介
CCD 供应商
▪ Dalsa ▪ e2v technologies ▪ Fairchild Imaging ▪ Hamamatsu Photonics
Characteristics and use of FFT-CCD ▪ Kodak ▪ Panasonic ▪ Sony ▪ Texas Instruments ▪ Toshiba
Willard Sterling Boyle
▪ Willard.S Boyle
▪ 威拉德．博伊爾 ▪ 1924年8月19日出生 ▪ 簡介:
▪ 1924年出生於加拿大Amherst ▪ 擁有加拿大和美國國籍。 ▪ 1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士
學位 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金
接地
CCD的单元结构 把势阱想成一个桶
填空
返回
CCD的基本光敏元(电荷存储)
CCD的信号来源(光注入)
▪ 当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产 生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流 子则被收集在势阱中形成信号电荷。
▪ 光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。由于正面 有光栅电极，会对光有遮挡，因此绝大多数都采用背面照 射。
CCD的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像采 集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图像 投影到CCD表面，再由CCD将图像转化为数字信号；
当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可以 直接应用而不配套镜头。
它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发 明的。
电荷耦合器件(CCD)的发明者
信号电荷
想象为存贮在桶底上的流体
填空
CCD的信号来源(电注入)
▪ 所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或者电流 进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注 入的方法很多，这里只介绍两种常用的电流注入法和电压 注入法。
▪ 目前已经不再采用这种方法了，这种功能现在有独立的器 件A/D转换器，即模/数转换器来实现。
▪ CCD 的基本结构应包含转移电极结构、转移沟道 结构、信号输入结构和信号检测结构。
填空
CCD的基本光敏元(电荷存储)
我们先来了解CCD的光敏元。
①P型半导体多数 载流子为空穴②加 正电压，电子做信 号③P 型沟道CCD
它的基础是金属—氧化物—硅MOS电容器
Metal Oxide Semiconductor
电荷转移过程
CCD中电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的 步进控制方式。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定 向转移的过程。
第一时刻，即初始状态时，第一电极外加高电平，其它 电极外加低电平，此时只有第一电极下方具有深势阱，信 号电荷存储于第一电极下方。
第二时刻，第一电极和第二电极外加高电平，第三电极 外加低电平，第二电极下产生深势阱并与第一电极下的势 阱连通，信号电荷变为共有。
第三时刻，保持第二电极高电压，第三电极低电压，将 第一电极转变为低电压，第一电极下的势阱消失的过程中， 信号电荷全部转移到第二电极下的势阱中，完成了一次完 整的信号转移过程。
将第一电极、第二电极更换为任意两个相邻电极重复上 述三步，都可完成电荷转移。
第三电极的存在确保了电荷的定向转移。
CCD 也 存 在 二 相 的电荷转移方式， 在这种方式中设计 了不对称的电极结 构，可以保证电荷 转移的定向性。
CCD原理简介
▪ 电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是 一种集成电路，上有许多排列整齐的细小的半导体 结构，为了便于理解我们简单将其比喻为电容，这 些电容能感应光线，并将影像转变成数字信号。经 由外部电路的控制，每個小电容能将其所帶的电荷 转给它相邻的电容。
▪ 这些小的半导体结构用通俗的语言来说就是像素单 元，用科学语言将叫做光敏元。
的奖金。
填空
电荷耦合G器eo件rg(CeCEDl)w的o发od明S者mith
▪ George Elwood Smith
▪ 喬治 史密斯 ▪ 1930年5月10日
▪ 簡介: ▪ 1930年出生于美國白原市（White Plains） ▪ 美國國籍。 ▪ 1959年從芝加哥大學獲得物理學博士學位。 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美
接地
CCD的单元结构
Байду номын сангаас
CCD的信号转移
CCD图象传感器实际上是由由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成，光敏元件也参与电荷转移。一般来说每 个光敏元有三个相邻的转移电极1、2、3，所有电极彼此离 得足够近，以使硅表面的耗尽区和电荷的势阱交叠，能够 耦合及电荷转移。
输入二极输管入栅Ф1 Ф2
Ф3
输出栅 输出二极管
电荷耦合器件(CCD) Charge Coupled Device)
名词解释
电荷耦合器件(CCD)
电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，其 主要功能是将其表面接收到的光强信号转变为电信号。
目前的数码相机、摄像机、扫描仪、广播电视、可 视电话和无线电传真中大多采用CCD作为图像采集器 件，是这些电子产品的核心。
CCD原理简介
▪ 电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而 不同于其他大多数元件是以电流或者电压为信号。
▪ 所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施 加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在 CCD內作定向传输。 CCD工作过程的核心技术是信 号电荷的产生，存储，传输，和检测。
SiO2
耗尽区
P型Si 电荷转移方向
CCD的MOS结构
CCD中电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的 步进控制方式。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过 程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，不会受到干扰。下面 以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。
简答或论述
t1 t2 t3t4 t5t6t7
CCD的势阱
▪ 光敏元之中的势阱深度与两方面的因素有关：栅极电压和 反型层电荷量。
▪ 栅极电压越大势阱越深。 ▪ 反型层电荷越多，势阱越浅。(可以认为是反型层电荷抵
消了一部分栅极电压)
半导体也可采用N型半导体，如下图所示。①载流N型子半为导电体子多数 ②加负电压 ③N型沟道CCD
。 很薄约1200A
金的奖金。
填空
CCD简介
CCD 供应商
▪ Dalsa ▪ e2v technologies ▪ Fairchild Imaging ▪ Hamamatsu Photonics
Characteristics and use of FFT-CCD ▪ Kodak ▪ Panasonic ▪ Sony ▪ Texas Instruments ▪ Toshiba
Willard Sterling Boyle
▪ Willard.S Boyle
▪ 威拉德．博伊爾 ▪ 1924年8月19日出生 ▪ 簡介:
▪ 1924年出生於加拿大Amherst ▪ 擁有加拿大和美國國籍。 ▪ 1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士
學位 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金
接地
CCD的单元结构 把势阱想成一个桶
填空
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CCD的基本光敏元(电荷存储)
CCD的信号来源(光注入)
▪ 当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产 生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流 子则被收集在势阱中形成信号电荷。
▪ 光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。由于正面 有光栅电极，会对光有遮挡，因此绝大多数都采用背面照 射。
CCD的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像采 集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图像 投影到CCD表面，再由CCD将图像转化为数字信号；
当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可以 直接应用而不配套镜头。
它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发 明的。
电荷耦合器件(CCD)的发明者