几种新型传感器简介.doc

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1、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

2、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—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—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

3、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—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

4、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。图9-27CCD原理示意图图9-28电荷转移过程3．CCD的输入—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

5、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。（1）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，转移到下一个电极下的信号电荷量为，两者的比值称为转移效率，用η表示,即η=×100%在电荷转移过程中，没有被转移的电荷量设为（=－），与原信号电荷之比记作ε，即ε==（9.30）ε称为转移损失率。如果转移n个电极后，所剩

6、下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为（9.31）（2）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τ。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fL为＜τ所以＞（9.32）另

7、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。假定达到要求转移率η所需的转移时间为t2,则给予信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间Th应大于或等于t2。以三相CCD为例，根据转移时间Th可以推算出驱动脉冲的工作频率的上限fh≥所以≤　　（9.33）CCD器件的工作频率应选择在一下限fL和上限fh之间。（3）电荷储存容量CCD的电荷储存容量表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量。由前面的分析可知，CCD是由一系列的MOS电容构成的，它对电荷的存储能力可以近似地当作电容对电荷的存储来分析。最大

8、电荷储存容量可表示为　　　　　　（9.34）式中——SiO2层的电容；——时钟脉冲高低电平的变化幅度；——栅极面积；d——SiO2层的厚度；——真空介电常数；——SiO2介质介电