4.3 电荷耦合器件
在 MOS电容金属电极上, 加以脉冲电压, 排斥掉半
导体衬底内的多数载流子, 形成, 势阱, 的运动,
进而达到信号电荷 （ 少数载流子 ） 的转移 。
图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；
若所转移的电荷通过外界诸如方式得到, 则其可以
具备延时, 信号处理, 数据存储以及逻辑运算等功
能 。
4.3 电荷耦合器件
4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理
4.3.2 CCD图像传感器
4.3.3 图像传感器的应用
4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理
? CCD是一种半导体器件
图 4.3.1 MOS电容的结构
1．金属 2．绝缘层 SiO2
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平带条件下的能带
Ec导带底能量
Ei禁带中央能级
Ef费米能级
Ev价带顶能量
平带条件,
当 MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从
体内到表面处是电中性的，因而能带 (代表电子的能量 )从表面到
内部是平的。
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加上正电压 MOS电容的能带
(a)栅压 UG较小时,MOS电容器处于耗尽状态。
(b)栅压 UG增大到开启电压 Uth时,半导体表面的费米能级
高于禁带中央能极,半导体表面上的电子层称为反型层。
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有信号电荷的势阱
? 当 MOS电容器栅压大于开启电压 UG，周围电子迅速地
聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势。
势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。
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信号电荷转移
? CCD的基本功能是存储与转移信息电荷
? 为实现信号电荷的转换,
1、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。
2、控制相邻 MOS电容栅极电压高低来调节势阱深
浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。
3、在 CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。
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定向转移的实现
? 在 CCD的 MOS阵列上划分成以几个相邻 MOS电荷为
一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每 —
位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，
此共同电极称相线。
一位 CCD中含的电容个数即为 CCD的相数。每相电极
连接的电容个数一般来说即为 CCD的位数。
通常 CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施
加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。
当这种时序脉冲加到 CCD的无限循环结构上时，将实
现信号电荷的定向转移。
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三
相CCD
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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(a) 选通电荷积分输出电路
(b) 驱动时钟波形和输出波形
CCD的信号输出结构
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4.3.2 CCD图像传感器
? 利用 CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，
得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，
从而将照射在 CCD上的光学图像转移成了电信
号“图像”。
? 由于 CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有
光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良
好的 — 致性，因此，对图像的传感具有优越的
性能。
? 线列和面阵
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(1)CCD线列图像器件
1－ CCD转移寄存器 2－转移控制栅 3－积蓄控制电极
4— PD阵列 SH— 转移控制栅输入端 RS— 复位控制
VOD— 漏极输出 OS— 图像信号输出 OG— 输出控制栅
线
型
图
像
传
感
器
结
构
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（ 2）面型固态图像传感器
(a)x-y 选址
(b)行选址
(c)帧场传输式
(d)行间传输式
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4,3,3 图像传感器的应用
1,尺寸测量
2,用于光学文字识别装置
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1．尺寸测量
被测对象长度 L
pnfanpML ????? )1(1
pn
l
lL ??
2
1
l1 －视场
l2－ 传感器的长度
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2,用于光学文字识别装置
光学文字识别装置 (OCR)原理
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