CCD原理

CCD原理

电荷耦合器件（Charge   Couple   Device， 简称CCD）是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷作为信号, 基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。 CCD自1970年问世以来, 由于其独特的性能而发展迅速, 广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术。 ?
        １. CCD原理?
        构成CCD的基本单元是MOS电容器, 如8 - 18(a)所示。 与其它电容器一样, MOS电容器能够存储电荷 。

        如果MOS电容器中的半导体是P型硅, 当在金属电极上施加一个正电压时, 在其电极下形成所谓耗尽层, 由于电子在那里势能较低, 形成了电子的势阱, 如图8 - 19(b)所示, 成为蓄积电荷的场所。CCD的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器, 这些电容器用同一半导体衬底制成, 衬底上面履盖一层氧化层, 并在其上制作许多金属电极, 各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接, 图8 - 19为三相CCD时钟电压与电荷转移的关系。当电压从φ1相移到φ2相时, φ1相电极下势阱消失, φ2相电极下形成势阱。这样储存于φ1相电极下势阱中的电荷移到邻近的φ2相电极下势阱中, 实现电荷的耦合与转移。

CCD的信号是电荷, 那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式: 光信号注入和电信号注入。 CCD用作固态图像传感器时, 接收的是光信号, 即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片表面时, 在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对, 其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底, 而少数载流子（电子）则被收集在势阱中, 形成信号电荷, 并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强。所谓电信号注入， 就是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。 
         CCD输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形式, 如图8 - 20所示。

浮置扩散输出端是信号电荷注入末级浮置扩散的PN结之后, 所引起的电位改变作用于MOSFET的栅极。这一作用结果必然调制其源-漏极间电流, 这个被调制的电流即可作为输出。 当信号电荷在浮置栅极下方通过时, 浮置栅极输出端电位必然改变, 检测出此改变值即为输出信号。 
        通过上述的CCD工作原理可看出, CCD器件具有存储、 转移电荷和逐一读出信号电荷的功能。因此CCD器件是固体自扫描半导体摄像器件, 有效地应用于图像传感器。