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2024年6月19日发(作者:)
光电成像原理与技术
电荷耦合器件
1 CCD简介
CCD (charge-coupled device),一种用于探测光的硅片,由时钟脉
冲电压来产生和控制半导体势阱的变化,实现存储和传递电荷信息的
固态电子器件,比传统的底片更能敏感的探测到光的变化。是用电荷
量来表示不同状态的动态移位寄存器,由时钟脉冲电压来产生和控制
半导体势阱的变化,实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。英文
简称 CCD 。电荷耦合器件由美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.
史密斯于1969年发明,它由一组规则排列的金属-氧化物-半导体
( MOS)电容器阵列和输入、输出电路组成。
2 CCD发展
初期的CCD存储和转移信号电荷的势阱都位于硅-二氧化硅界面
处,即所谓表面沟道CCD。1972年D.康首先设想了多数载流子CCD
形式,在此基础上人们研制出体沟道CCD和“蠕动”型CCD的新结构,
有效地改善了CCD的性能。1973年美国仙童公司制成CCD摄像传
感器,CCD遂从实验室进入工业生产的实用阶段。
CCD的雏形是在N型或 P型硅衬底上生长一层二氧化硅薄层,
再在二氧化硅层上淀积并光刻腐蚀出金属电极,这些规则排列的金属
-氧化物-半导体电容器阵列和适当的输入、输出电路就构成基本的
CCD移位寄存器。对金属栅电极施加时钟脉冲,在对应栅电极下的
半导体内就形成可储存少数载流子的势阱。可用光注入或电注入的方
法将信号电荷输入势阱。然后周期性地改变时钟脉冲的相位和幅度,
势阱深度则随时间相应地变化,从而使注入的信号电荷在半导体内作
定向传输。CCD 输出是通过反相偏置PN结收集电荷,然后放大、
复位,以离散信号输出。
电荷转移效率是 CCD最重要的性能参数之一,用每次转移时被
转移的电荷量和总电荷量的百分比表示。转移效率限制了CCD的最
大转移级数。
体沟道CCD的电荷转移机理和表面沟道CCD略有不同。体沟道
CCD又称为埋沟CCD。所谓体沟道即用来存储和转移信号电荷的沟
道是在离开半导体表面有一定距离的体内形成。体沟道 CCD的时钟
频率可高达几百兆赫,而通常的表面沟道CCD只几兆赫。
固体成像、信号处理和大容量存储器是 CCD的三大主要用途。
各种线阵、面阵像感器已成功地用于天文、遥感、传真、卡片阅读、
光测试和电视摄像等领域,微光CCD和红外CCD在航遥空感、热成
像等军事应用中显示出很大的作用。CCD 信号处理兼有数字和模拟
两种信号处理技术的长处,在中等精度的雷达和通信系统中得到广泛
应用。CCD还可用作大容量串行存储器,其存取时间、系统容量和制
造成本都介于半导体存储器和磁盘、磁鼓存储器之间。
中国于1975年研制出32位CCD移位寄存器。中国的CCD研制
工作主要集中于CCD成像和信号处理。CCD摄像器在航空摄像、遥
控、工业自动化等部门已获应用。CCD模拟延迟线和抽头延迟线在
雷达和通信设备更新中发挥了重要作用。
3 CCD原理
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