几种新型传感器简介.docx

第九章几种新型传感器简介

第三讲电荷耦合器件(CCD)

教学目的要求：1.了解CCD的结构原理。

2.了解CCD的应用

教学重点：CCD的结构原理和CCD的应用

教学难点：CCD的结构原理

教学学时：2学时

教学内容：

一、CCD的工作原理

(a)MOS光敏元结构 (b)光生电子

图9-26CCD单元结构

1.工作原理

组成CCD的基本单元是MOS光敏元，如图9-26(a)所示。在图9-26中，金属电极为栅极。SiO2氧化层为电介质，下极板为P-Si半导体。当栅极加上正向电压，并且衬底接地时，在电场力作用下，靠近氧化层的P型硅区的空穴被排斥，或者说被“耗尽”，形

成一个耗尽区，它对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称之为“势阱”，这种状态是瞬时的。如果此时有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生电子一空穴对，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收，形成电荷包。而空穴则被电场排斥出耗尽区，该状态是稳定的。图9-26（a）为已存储信号电荷一光生电子的形象示意图。实际上，电荷存在于SiO2—Si界面处，而非从所谓势阱底向上堆积。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。这样一个MOS光敏元叫做一个像素，用来收集若干光生电荷的一个势阱叫做一个电荷包。在同一P型衬底连续生成的氧化层上沉积的金属电极相互绝缘，相邻电极仅有极小间距（沟阻），保证相邻势阱耦合及电荷转移。相互独立的MOS光敏元有几百至数千个，若在金属电极上施加一个正阶跃电压，就形成几百至几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，那么就生成一幅与光强成正比的电荷图像。以上就是光生电荷的存储过程一光敏元的工作原理。

2.CCD的电荷转移

在CCD中，电荷是怎样转移的呢？多个MOS光敏元依次相邻排列，相邻间距极小，耗尽区可以重叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的电子将在互相耦合的势阱间流动，流动的方向决定于势阱的深浅。这样，就可以有控制地将电荷从一个金属电极下转移到另一个金属电极下。信息电荷。各组中的信息电荷同时定向传送，互不干扰。

9192

9192

IDIG b

g^MSIMii

Life

06^_。。

I I -

N+

P-si

ri

N+

(a)

-_r_r\

一F

图9-27CCD原理示意图

中9仰2玲3(b

中9仰2玲3

(b)t=t2

(d)t=t4

图9-28电荷转移过程

3.CCD的输入一输出结构

完整的CCD结构还应包括电荷注入和电荷输出。CCD电荷的注入通常有光电注入、电注入和热注入等不同方式，图9-27（a）采用的是电注入方式，即电荷由一个特设的PN结二极管(ID为其电极)注入CCD中。在第一个电极与PN结二极管之间加输入端控制栅IG,当IG接入正电压时，通过PN结注入衬底的电子进入第一个电极下的势阱中，并在三相时钟作用下向右转移下去。

4.CCD的特性参数

CCD器件的物理性能可以用特性参数描述，它的特性参数可分为内部参数和外部参数两类，内部参数描述的是与CCD储存和转移信号电荷有关的特性(或能力)，是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是CCD应用有关的性能指标，是应用器件必不可少的。

电荷转移效率和转移损失率

电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。如果上一电极中原有的信号电荷量为Q0，转移到下一个电极下的信号电荷量为Q】，两者的比值称为转移效率，用n表示，即

n=乌xioo%

Q

0

在电荷转移过程中，没有被转移的电荷量设为Q，(Q=Qi-Q0)，Q与原信号电荷之比记作E，即

E=—x100%=^1x100% (9.30)

Q Q

0 0

€称为转移损失率。

如果转移n个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为

Q

=(1—8)n

=(1—8)n

(9.31)

Q

0

工作频率

由于CCD器件是工作在MOS的非平衡状态，所以驱动脉冲频率的选择就显得十分重要。频率太低，热激发的少数载流子过多地填入势阱，从而降低了输出信号的信噪比；信号频率太高，又会降低总转移率，减少了信号幅值，同样降低了信噪比。

为了避免热激发所产生的少数载流子对信号电荷的影响，信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间［必须小于少数载流子的寿命r。对于三相CCD，一个电极的转移时间内需要完成三相驱动脉冲周期Tl，因此，可以推算出各相的驱动脉冲工作频率下限值f为

3 /

——=3T=tt

l

所以

(9.32)*3

fl

(9.32)

另一方面，如果驱动脉冲的工作频率下限fL取得太高，又会导致部分电荷来不及转移而使转移损失率增大。假定达到要求转