电荷耦合器件CCD

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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。
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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
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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。
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。
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。 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。

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。
接地
CCD的单元结构
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。
输入栅 Ф1 输入二极管
Ф2
Ф3
输出栅 输出二极管
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)
①N型半导体多数 半导体也可采用N型半导体，如下图所示。 载流子为电子
②加负电压
③N型沟道CCD
。 很薄约1200A
电荷转移过程
简答或论述
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。
QIP =qneo ATC
SiO2 P型Si 耗尽区 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。
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
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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
信号电荷
想象为存贮在桶底上的流体
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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。