图像信息原理_电荷耦合器件_v2精讲
第六章电荷耦合器件CCD讲解ppt课件
Vg 1 Vg 2 Vg 3 Vg 4
2V 10V 2V 2V
2V 10V 10V 2V
2V 2V 10V 2V
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
•基于势阱的有无和深度 都取决于栅极的电位， 通过不断地改变各栅极 上的电位值，使栅极下 势阱底抬高或降低，实 现其中电荷包有规则、 可控制地传输，直到输 出端。
Vg 1 Vg 2 Vg 3 Vg 4
2V 10V 2V 2V
2V 10V 10V 2V
2V 2V 10V 2V
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6.5 电荷耦合器件的特征参数
Vg
①在金属层上施加正电压， 表面势Vs为正。
②空穴耗尽层
③ Vs随耗尽区的形成而升高，耗尽区深度随着 栅极电压的升高而不断变宽。这种状态就是多 数载流子的耗尽状态。在耗尽区，空穴的浓度 几乎为零。
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➢转移效率 ➢电荷存储能力 ➢暗电流 ➢噪声
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转移效率
• η=Qn+1/Qn Qn+1转移到下一个势阱中的电荷数，Qn原 势阱中的电荷数
《电荷耦合器》PPT课件 (2)
里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系 为线性关系，图(a)为空势阱。图(b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势 收缩，表面势ΦS与反型层电荷填充量QP 间的关系。当反型层电荷足够多， 使势阱被填满时，表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出” 现象，如图（c)所示。
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CCD
三 相
信 息 电 荷 传 输 原 理 图
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CCD电荷的产生方式：
电压信号注入
CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用 电注入。 CCD通过输入结构对信号电压或电流进 行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。
光信号注入
CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得 到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照 射光的强度和照射时间。
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电荷耦合器件的结构和工作原理
CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载 流子是电子。在电极施加栅极电压UG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于 衬底施加正栅压UG（此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产 生耗尽区，如图（B）所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。 当UG>Uth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用ΦS 表示)变得如此 之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约 102um )但电荷浓度很高的反型层,如图(C)。反型层电荷的存在表明了MOS结构存 储电荷的功能.
线型CCD图像传感器
目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、 双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后， 在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形 成了原来光敏信号电荷的顺序。
电荷耦合器件技术的进展及应用
电荷耦合器件技术的进展及应用近年来，随着信息技术的飞速发展和智能化程度的逐渐提升，电子器件在各个领域中的应用越来越广泛。
其中电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices，简称CCD）作为一种重要的光学传感技术，不仅被广泛用于数字影像、光电信息、无线电通信等领域，还被应用于天文学、地质学、气象学等多个科学领域。
本文旨在探讨电荷耦合器件技术的进展和应用，以加深我们对它的理解和认识。
1. 电荷耦合器件的基本原理和发展历程电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是由美国贝尔实验室的Willard Boyle和George Smith于1969年发明的。
它的原理是：将光子转变为电子，再将电子聚集在像素中，最终形成一个图像。
CCD器件的结构主要包括感光电荷耦合器、移位寄存器、输出寄存器等组成部分。
由于CCD器件能够将光电信号转换为电荷信号，并通过快速的移位操作实现电荷传输和存储，因此它成为了数字影像和光学信号处理领域的重要技术手段。
在发展历程中，CCD器件经历了从间接式CCD到直接式CCD的技术变革。
间接式CCD器件中，输入的光信号首先被转换为电荷信号，然后通过带隙式CCD移位寄存器，最终输出为模拟信号。
而在直接式CCD器件中，光子直接被转换为电荷信号，并通过电容耦合的方式进行快速传输和存储，输出的信号也是数字信号，由此进一步提高了器件的信噪比和转换速度。
2. 电荷耦合器件技术在数字影像中的应用随着数字影像技术的进步，CCD器件已成为数字相机、数码摄像机和手机摄像头等数字影像设备的核心部件。
相对于传统摄影设备，数字影像器件的特点在于可以将图像数字化，从而进行数字信号的处理、存储和传输。
CCD器件的高灵敏度、高信噪比和成像精度使得数字影像设备在分辨率、色彩还原等方面有了很大的提升。
同时，CCD器件还在卫星遥感、医学影像等领域占据着重要的地位。
卫星遥感技术中，CCD器件作为地球观测的重要手段，可以实现高分辨率的图像获取和地表信息的监测；在医学影像领域中，CCD器件被广泛应用于X光透视、核磁共振成像等医学设备中，可以进行真实、准确的影像获取和处理，对医学诊断和治疗起到了关键作用。
电荷耦合器件图像传感器CCD原理与应用
电荷耦合器件图像传感器CCD原理与应用摘要：电荷耦合器件图像传感器ccd（charge coupled device），是由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。
本文通过对ccd的简介、工作原理和应用的阐述，一起对其做进一步说明。
关键词：ccd原理应用功能特性电荷耦合器件(ccd)是一种新型的固体成像器件，是近代光学成像领域中非常重要的一种高新技术产品。
作为一种新型图象传感器，ccd器件具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于维护、成本低、应用广等诸多优点。
由于ccd的像元尺寸小、几何精度高，配置适当的光学系统，即可获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图象传感和无接触工件尺寸的在线检测。
由于ccd是以时间积分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强，ccd的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域。
1、ccd简介1.1ccd发展史ccd在1969年由美国贝尔实验室（bell labs）的维拉博伊尔(willard s. boyle)和乔治史密斯（george e. smith）所发明的。
当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。
将这两种新技术结合起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（charge “bubble” devices）。
这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。
但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。
电荷耦合器件CCD
填空
电荷耦合器件 (CCD) 的发明者 George Elwood Smith
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 金的奖金。
电荷耦合器件(CCD)的发明者
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 的奖金。
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 Semicon结构
填空
把势阱想成一个桶
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CCD的基本光敏元(电荷存储)
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。
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。
第九讲 电荷耦合器件(CCD)
ε(t) ε
实测三相多晶硅N沟道 SCCD的关系曲线
10V 5V
驱动脉ห้องสมุดไป่ตู้频率f
驱动脉冲频率f 10MHz
电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低 的氧化层与半导体地交界面处。
u0
10V
10V
UG=5V UG=10V
UG=15V
空势阱
填充1/3势阱
全满势阱
MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A
电荷耦合
假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电 极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得 较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段 时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍 保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因 这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的 对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的 电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图b＆c。 若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三 个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个 电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电 荷包向右移动了一个位置。
转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷之比。
1
Qt Q0
转移损失率：
1
ε(t)
影响电荷转移效率 的主要因素为界面 态对电荷的俘获。 为此，常采用“胖 零”工作模式，即 让“零信号”也有 一定的电荷。
Q(0)/C
2、工作频率f
（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子 对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极 转移到另一个电极所用的时间必须小于少 数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t 为： t=T/3=1/3f,故，f>1/3ζ。
电荷耦合摄像器件
2、少数载流子在中性体内的扩散 在P型材料中，每单位面积内由于这种原因而产生的电流：
1
Ii
qni 2
N A n
Ln
6.6
NA
n
2
式中，NA为空穴浓度；Ln为扩散长度；μ为电子迁移率； ni为本征裁流子浓度。
3、Si-SiO2界面引起的暗电流 Si-SiO2界面引起的暗电流： In=10-3δsNss
100，NS=104
暗电流噪声 NDC 光子胖0噪声 NFZ
1000，NS=106 100，NS=1% NS
电子胖0噪声 NEZ
俘获噪声
输出噪声
2.6.4 暗电流 1、耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁 暗电流密度的大小由下式决定：
Ii q
ni
idLeabharlann 式中，q为电子电荷量；ni为载流子浓度；τi为载流子寿 命； d 为耗尽区宽度。
（2）隔列转移型面阵CCD 图2-24(a)所示为隔列转移型面阵CCD的结构。图2-24（b）
是隔列转移型面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存 器单元的结构图。
图2-24 隔列转移型面阵CCD
（3）线转移型面阵CCD 如图2-25所示，它与前面两种转移方式相比，取消了存储区，
多了一个线寻址电路。
线阵CCD将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出， 获得一维的图像信号。若想用线阵CCD获得二维图像信号，必 须使线阵CCD与二维图像作相对的扫描运动，所以用线阵CCD 对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。
面阵CCD是二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转变 为视频信号输出。
1、线型CCD摄像器件的两种基本形式 （1）单沟道线阵CCD
目前，CCD摄像器件不论在文件复印、传真、零件尺寸的自 动测量和文字识别等民用领域，还是在空间遥感遥测、卫星侦 察及水下扫描摄像机等军事侦察系统中都发挥着重要作用。
电荷耦合器件的工作原理及特性应用
60年代和70年代充满了辉煌的发现、发明和技术进步，尤其是内存技术。
威拉德·博伊尔和乔治·史密斯在探索金属氧化物半导体（MOS）技术在半导体“气泡”存储器开发中的应用时取得了当时的一项重要发现。
研究小组发现，电荷可以存储在一个微型MOS电容器上，该电容器的连接方式可以使电荷从一个电容器转移到另一个电容器。
这一发现导致了电荷耦合器件（CCD）的发明，该器件最初设计用于服务于内存应用，但现在已成为先进成像系统的重要组成部分。
CCD（电荷耦合器件）是一种高度灵敏的光子检测器，用于将电荷从器件内部移动到可以被解释或处理为信息（例如转换为数字值）的区域。
在今天的文章中，我们将研究CCD的工作原理、部署它们的应用程序以及它们与其他技术的比较优势。
什么是电荷耦合器件？简单来说，电荷控制器件可以定义为包含一系列链接或耦合的电荷存储元件（电容仓）的集成电路，其设计方式是在外部电路的控制下，存储在每个电容器中的电荷可以移动到相邻的电容器。
金属氧化物半导体电容器（MOS电容器）通常用于CCD，通过向MOS结构的顶板施加外部电压，可以将电荷（电子（e-）或空穴（h+））存储在生成的潜在的。
然后，这些电荷可以通过施加到顶板（栅极）的数字脉冲从一个电容器转移到另一个电容器，并且可以逐行传输到串行输出寄存器。
电荷耦合器件的工作CCD的运行涉及三个阶段，由于最近最流行的应用是成像，因此最好结合成像来解释这些阶段。
这三个阶段包括：电荷感应/收集充电计时电荷测量电荷感应/收集/存储：如上所述，CCD由电荷存储元件组成，存储元件的类型和电荷感应/沉积方法取决于应用。
在成像中，CCD由大量光敏材料组成，这些光敏材料分成小区域（像素），用于构建感兴趣场景的图像。
当投射在场景中的光在CCD上反射时，落入由其中一个像素定义的区域内的光子将被转换为一个（或多个）电子，其数量与像素的强度成正比。
每个像素的场景，这样当CCD退出时，可以测量每个像素中的电子数量，并且可以重建场景。
电荷耦合器件
圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.
放大
a w
b
(b ) 圆光栅
光栅数字传感器功能
主要用于线位移和角位移的测量。
还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓 等方面。
光栅数字传感器的原理：莫尔条纹
标尺光栅
指示光栅
当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微 小的夹角时，由于挡光效应 ( 当线纹密度 ≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度 ≥ 100 条 /mm 时 ) ，在与光栅线纹大致垂直 的方向上 ( 两线纹夹角的等分线上 ) 产生出 亮、暗相间的条纹 ——称为“莫尔条纹”。 莫尔条纹形成
光栅传感器的应用
数控机床位置控制框图
优点 固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长 图像畸变小、尺寸重现性好 光敏单元之间几何尺寸精度高，可得到较高 的定位精度和测量精度，具有较高分辨力 自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动 态范围 视频信号便于与微机接口
一、CCD的工作原理 （一）信息电荷的产生和存储
MOS 光敏元：
P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个耗尽区，也就是说， 对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱
（c）、当有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就
会产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱所俘获，而同时光生空穴则被电 场排斥出耗尽区。 此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。这样 的一个MOS结构元称为MOS光敏元或叫做一个像素，把一个势阱所收集的 若干光生电荷称为一个电荷包。
在半导体基片上（如P型 硅）生长一种具有介质作 用的氧化物（如二氧化 硅），又在其上沉积一层 金属电极，形成的金属— 氧化物—半导体结构。
电荷耦合器件CCD工作原理
电荷耦合器件CCD⼯作原理什么是电荷耦合器件？电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD），⼜称图像传感器，是⼀种⼤规模集成电路光学器件，是在MOC集成电路技术基础上发展起来的新型半导体传感器。
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器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内作定向传输。
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。
CCD的⼯作原理：CCD的尺⼨是说感光器件的⾯积⼤⼩，这⾥就包括了CCD和CMOS.感光器件的⾯积⼤⼩，CCD/CMOS⾯积越⼤，捕获的光⼦越多，感光性能越好，信噪⽐越低。
CCD/CMOS是数码相机⽤来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。
CCD上感光组件的表⾯具有储存电荷的能⼒，并以矩阵的⽅式排列。
当其表⾯感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产⽣的信号，就构成了⼀个完整的画⾯。
现在市⾯上的消费级数码相机主要有2/3英⼨、1/1.8英⼨、1/2.7英⼨、1/3.2英⼨四种。
CCD/CMOS尺⼨越⼤，感光⾯积越⼤，成像效果越好。
1/1.8英⼨的300万像素相机效果通常好于1/2.7英⼨的400万像素相机(后者的感光⾯积只有前者的55%)。
⽽相同尺⼨的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光⾯积缩⼩，有曝光不⾜的可能。
但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在⾄少维持单个像素⾯积不减⼩的基础上增⼤CCD/CMOS的总⾯积。
⽬前更⼤尺⼨CCD/CMOS加⼯制造⽐较困难，成本也⾮常⾼。
因此，CCD/CMOS尺⼨较⼤的数码相机，价格也较⾼。
感光器件的⼤⼩直接影响数码相机的体积重量。
超薄、超轻的数码相机⼀般CCD/CMOS尺⼨也⼩，⽽越专业的数码相机，CCD/CMOS尺⼨也越⼤。
电荷耦合器件的原理与应用
电荷耦合器件的原理与应用电荷耦合器件是一种能够实现信号存储和传输的器件。
它主要由串联的电容和场效应管构成，其原理是通过改变场效应管的栅极电压来控制电容存储和释放信号。
在数字存储、数据传输、显存储器等应用中得到广泛的应用。
以下将从电荷耦合器件的原理、特点和应用几个方面进行介绍。
一、电荷耦合器件的原理电荷耦合器件是一种容量耦合的存储器件。
其原理在于将一组电容和场效应管串联连接起来，形成一个环形结构。
在电荷耦合器件中，每个电容能够存储信号，电容的存储和释放都是通过改变场效应管的栅极电压来实现的。
在工作时，一个电容的电荷量在时钟信号的作用下被移到下一个电容中，进而实现信号的传输。
通过这种方式，电荷耦合器件可以实现信号的存储和传输，并具有很高的可靠性和良好的抗干扰性。
二、电荷耦合器件的特点电荷耦合器件具有以下几个特点：1. 存储和传输速度快：电荷耦合器件能够在纳秒级别内实现信号的存储和传输，传输速度快。
2. 容量大：电荷耦合器件可以在一个芯片上存储大量的数据，存储容量大。
3. 抗干扰性强：由于电荷耦合器件采用了串联电容的结构，因此传输中不会受到外界信号的干扰，具有抗干扰性强的特点。
4. 可靠性高：电荷耦合器件的结构简单，不易出现故障，因此具有很高的可靠性。
三、电荷耦合器件的应用电荷耦合器件主要应用于数字存储、数据传输、显存储器等领域。
其中，显存储器是应用电荷耦合器件最广泛的领域之一。
显存储器是计算机中的一种特殊的存储器，其主要功能是存储并提供显示器需要的图像数据和控制指令。
电荷耦合器件作为一种高速存储器件，可以用于实现显存储器中的数码图像数据的存储和传输。
不仅如此，在数字存储、通信系统中，电荷耦合器件也可以用于实现各种数字信号的存储和传输，具有广泛的应用前景。
综上所述，电荷耦合器件具有存储和传输速度快、容量大、抗干扰性强、可靠性高等特点，广泛应用于数字存储、数据传输、显存储器等领域。
虽然电荷耦合器件有着不可替代的优点，但是它也存在着一定的缺点，例如成本高、功耗大等。
电荷耦合器件(CCD)
7.6 电荷耦合器件 CCD
固态图像传感器（Solid state imaging sensor）是 指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与位移寄 存器构成一体的集成光电器件，其功能是把按空间分 布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。CCD 是其中应用最广泛的一种。 CCD(Charge Couple Device)是1970年贝尔实验室 的W· Boyle和G· Smith发明的，它与光敏二极管 S· E· 阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传 感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应 用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产 过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨 大的潜力。
1. CCD的工作原理
CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生 长一层很薄的SiO2 ，再在SiO2 薄层上依次序沉积 金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上 两 端 的 输 入 及 输 出 二 极 管 就构 成 了 CCD芯 片 。 CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉 冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高 低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可 以反映光敏元的位置，这就起到图象传感器的作 用。
CCD固体图像传感器的应用
CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面： · 计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺 陷的非接触在线检测、距离测定等。 · 光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、 传真、摄像等。 · 生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动 搬运机、监视装置等。 · 军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人驾驶飞 机、卫星侦查)。
8-3 电荷耦合器件
§8-3 电荷耦合器件
3.电荷的检测——信号输出结构
CCD 输出结构的作用是将 CCD 中的信号电荷变换为电流或电压输出， 以检测信号电荷的大小。图8-68（a)所示的为一种简单的输出结构，它由输 出栅 Go、输出反偏二极管、复位管 V1 和输出跟随器 V2 组成，这些元器件均 集成在 CCD 芯片上。 V1 、 V2为 MOS 场效应晶体管。其中 MOS 管的栅电 容起到对电荷积分的作用。该电路的工作原理是这样的：当在复位管栅极加
§8-3电荷耦合器件
电荷耦合器件(简称 CCD)的发明始于 1969 年，在其后几年中发展迅速， 并得到了广泛的应用。CCD 并不是一种新发明的器件，它可以说是 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。利用这个机理便可实现多种的电子功 能，在作为光敏器件时可用于图像的传感，即成为固体摄像器件。此外，CCD 还可作为信息处理和信息存储器件。本节将主要介绍 CCD 的工作原理及作为 光敏摄像器件时的特征。（实物图片）
一、电荷耦合器件的结构与工作原理 (一)电荷耦合器件的结构
§8-3 电荷耦合器件
金属—氧化物—半导体（MOS）电容 CCD 是由按照一定规律排列的 MOS 电容阵列组成的。其中金属为 MOS 结构上的电极，称为“栅极”（此栅极材 料不是用金属而是用能够透过一定波长范围光的多晶硅薄膜）。半导体作为底 电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容，如图8-64所示。 这种电容器具有一般电容器所没有的一些特性，CCD 的工作原理就是基于这些 特性。因此，在介绍 CCD 的工作原理之前先简单介绍一下 MOS 电容的特性。
敏单元）的共同电极,称为光栅 φp 。MOS 电容的低电极为半导体 P 型单晶硅，
电荷耦合器件
7.3 固体摄像器件7.3.1 电荷耦合器件1.电荷耦合器件的结构与工作原理电荷耦合器件 以电荷作为信号载体的半导体光电器件，简称CCD 。
CCD 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。
CCD 的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS 结构）。
CCD 线阵：由多个像素（一个MOS 单元称为一个像素）组成。
图7-25 CCD 的单元与线阵结构示意图MOS 电容器的电学特性：• 栅极未加电压时——P 型Si 内的多数载流子（空穴）均匀分布。
• 栅极施加正电压U G 后——在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）。
• 电压UG 超过阈值电压Uth 时——形成反型层（沟道）。
图7-26 CCD 栅极电压U G 的变化对P 型Si 耗尽区的影响电荷包的存储：CCD 单元能够存储电荷包、其存储能力可通过调节U G 而加以控制。
图7-27 注入电荷包时，势阱深度随之变化的示意图每个金属栅极下的势阱中能够存储的最大（信息）电荷量为：d G ox A U C Q ⋅⋅= （7-8）CCD 中电荷包的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷而变浅的）势阱转入相邻的深势阱。
三相CCD 中电荷包的转移过程：• 开始时刻电荷包存储在栅极电压为10 V 的第1个栅极下的深势阱里，其他栅极上加有大于阈值的低电压（2 V ）；• 经时间t 1后，第1个栅极电压仍保持为10 V ，而第2个栅极的电压由2 V →10 V ； • 栅极靠得很近的两个势阱发生耦合，使原来在第1个势阱中的电荷包被耦合势阱共享；• 在t 2时刻，第1个栅极的电压由10 V →2 V 、第2个栅极的电压仍为10 V ，势阱1收缩，电荷包流入势阱2中。
电荷耦合器件的基本原理
6.1.1 MOS结构特征
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
栅极G 金属 氧化物
半导体 P
UG>0
施加正电压 空穴耗尽区
势阱
栅极G 金属 氧化物
UG>0
半导体 P
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。
信号电荷包的传输
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。
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的工作条件：
稳定条件下，不能产向势生阱电中子注－入空穴对
光注入：
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。
产生电子－空穴对
空穴
－－栅极电压排斥
电子
－－被吸入 势阱
6.1.2 CCD 的势阱深度与电 荷的存储
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1.1.3 电荷注入
在CCD中，电荷注入分为两类：光注入和电注入。 光注入方式
电荷耦合器件
(Charge Coupled Device, CCD)
电荷耦合器件CCD
固 (Charge Coupled Device, CCD) 体 成 像 器 互补金属氧化物半导体 CMOS图像传感器 件 （Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）
MOSFET （场效应管）
放大管T1是源跟随器
复位管T2工作在开关状态
（直流偏置） 输出栅（器件内部，总打开）
Φ1 Φ2 G0
（复位脉冲ΦR）
VRD
RG
T2 A C
栅极
VOD
漏极
T1
T3
Vout
源极
注：. 对二相CCD，只有Φ1、Φ2电极 ； ②.Φ2下电荷耦合进T3 。
MOSFET （场效应管）
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。这样一个MOS结构单元就称光敏单元或一个象素； 而将一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷 包。
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，因而得到影像信号。
a t=t1时 ，Φ1电极处于高电平，而Φ2电极处于 低电平。由于Φ1电极上栅压大于开启电压，故在Φ1下 形成势阱，假设此时光敏二极管接收光照，它每一位 （每一像元）的电荷都从对应的Φ1电极下放入势阱。
b t=t2时 ，Φ1电极上栅压小于Φ2电极上栅压，故 Φ1电极下势阱变浅，势阱变深，电荷更多流向Φ2电极 下。（由于势阱的不对称性，“左浅右深”，电荷只能 朝右转移
输出二极管T3始终处于强反偏状态 A点的等效电容C由T3管的结电容加上T1管的栅电容构 成，它构成一个电荷积分器 此电荷积分器随T2管的开与关，处于选通和关闭状态， 称为选通电荷积分器
如图所示为电压输出工作波形图。
Φ1
Φ2
ΦR Vout
CCD电压输出工作原理为： 在每个时钟脉冲周期内， 随着时钟脉冲Φ1或Φ2的下降过程，就有一个电荷包 从CCD转移到输出二极管T3的N区，即转移到电荷积分 器上，引起A点电位变化为：
当光照射到 CCD 硅片上时，在栅极附近的体内产生 电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载 流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。
Qin qNeo At
N为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积，t 为光注入时间
4 电荷检测
CCD输出结构的作用是将CCD中信号电荷变为电流或电压输 出，以检测信号电荷的大小。
电 荷 耦 合 器 件 C C D
线阵CCD
面阵CCD
CCD 类型
表面沟道CCD(SCCD),电荷包存储在半导体与绝 缘体之间的界面，并沿界面转移。 体沟道CCD(BCCD),电荷包存储在离半导体表面 一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向转移
1. 电荷耦合器件的工作原理
1.1、CCD工作原理
CCD
光信息 电脉冲
脉冲只反映一个光敏元的受光情况 脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱 输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置 完成图像传感
特点：以电荷作为信号
基本功能：电荷的存贮和转移 信号电荷的产生 信号电荷的存贮 CCD基本工作原理 信号电荷的传输 信号电荷的检测
1.1.1 电荷存贮
CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体 （Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
1.1.2.电荷耦合
CCD器件每一单元（每一像素）称为一位，有256位、 1024位、2160位等线阵CCD。CCD一位中含的MOS电容个数 即为CCD的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构， 它们施加的时钟脉冲也分为二相、三相、四相。二相脉 冲的两路脉冲相位相差1800；三相及四相脉冲的相位差 分别为1200、900 。当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上 循环时，将实现信号电荷的定向转移及耦合。
图所示TCD1206的相邻两像元，每一位含MOS电容2个
取表面势增加的方向向下，工作过程如图所示：
Φ1 Φ1 Φ2 t1 t2 t3 t4 ① t=t1时 ② t=t2时 ③ t=t3时 ④ t=t4时
Φ2
<第二位> <第一位 >
不对称势阱 每一位下两个
TCD1206二相驱动波形（Φ1、Φ2相位差1800）
Q V2 C
因为是N沟道，信息电荷为电子，故加负号
由于MOS管T1的电压增益为
g m RL Av 1 g m RL
式中gm为电导，RL为负载电阻，故T1管源极输出电压变化为：
浮置扩散放大器属于电压输出方式，目前采用较多。 其基本结构和工作原理如下： 如图所示，给出了CCD的电压输出电路。 放大管T1 复位管T2 输出二极管T3
（直流偏置） 输出栅（器件内部，总打开）
Φ1 Φ2 G0
（复位脉冲ΦR）
VRD
RG
T2 A C
栅极
VOD
漏极
T1
T3
Vout
源极
RL
注：. 对二相CCD，只有Φ1、Φ2电极 ； ②.Φ2下电荷耦合进T3 。
Metal Oxide Semiconductor
当在金属电极上加正电压VG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、驱赶，形成了一个耗尽区。
VG
金属
氧化物 （SiO2）
界 面 势
电子 势阱
半导体 (P—Si)
而对于少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。 耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域称为 “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。 如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导 体硅产生电子－空穴对，由此产生的光电子被表面的势 阱所吸收。而空穴被电场排斥出耗尽区。