《傳感器原理b》ppt課件-文庫吧
2025-04-21 00:40 本頁面
【正文】 原理 1）電荷的定向轉(zhuǎn)移 若兩個(gè)相鄰 MOS 光敏元所加的柵壓不同，則柵壓高的形成的勢(shì)阱深，且淺勢(shì)阱中的電子有向深勢(shì)阱中下移的趨勢(shì)。 當(dāng)外加電壓一定時(shí)，勢(shì)阱的深度隨勢(shì)阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰 MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。 要求： 多個(gè) MOS電容緊密排列且勢(shì)阱相互溝通。 金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。 控制相鄰 MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，讓MOS電容間的排列足夠緊密，使相鄰 MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合，就可使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺處流向勢(shì)阱深處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移。 為了讓信號(hào)電荷按規(guī)定的方向轉(zhuǎn)移，在 MOS電容陣列上加滿足一定相位要求的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖電壓，這樣在任何時(shí)刻，勢(shì)阱的變化總朝著一個(gè)方向。 為了實(shí)現(xiàn)這種定向的轉(zhuǎn)移，在 CCD的 MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰 MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每一位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同的電極上，此共同電極稱為相線。 通常 CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。二相脈沖的兩路脈沖相位相差 180176。 ，三相脈沖及四相脈沖的相位差分別為120176。 及 90176。 。當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到 CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移。 三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)的電荷轉(zhuǎn)移 1 2 3 4 5 6 7 8 9?1?2?3?1?2?31 0 V2 V1 0 V2 V1 0 V2 Vt1( 1 0 0 )t2( 0 1 0 )t3( 0 0 1 )t4( 1 0 0 )( a )( b ) 2） 三相 CCD電極的結(jié)構(gòu) MOS上三個(gè)相鄰電極 ， 每隔兩個(gè)所有電極接在一起 。 由 3個(gè)相位差 120176。 時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng) ,如下圖所示 。 在三相結(jié)構(gòu) CCD中 ,三個(gè)電極 組成一個(gè)單元 ,形成一個(gè)像素 。 三個(gè)不同的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓按 下圖 (b)的時(shí)序提供 ,以保證形 成空間電荷區(qū)的相對(duì)時(shí)序 。 設(shè)在某時(shí)刻 t1第一相, 處于低電壓 ,則在 1電極下 ,形成較深的勢(shì)阱 ,如圖 (a)所示。 32,??1? 若此時(shí)有光線入射到硅片上 ,在光子的激發(fā)下硅片上就會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)。由于光擴(kuò)散效應(yīng) ,其中的空穴被排斥到硅基體頂 ,光生電子則被勢(shì)阱所收集。勢(shì)阱所收集的光生電子數(shù)量和入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。此時(shí) ,在柵壓作用下 , CCD獨(dú)立的 MOS元就會(huì)形成眾多相互獨(dú)立的勢(shì)阱。若照射在這些光敏元上是一幅明暗不同的圖像 ,那么這些光敏元就會(huì)感生出一幅光照強(qiáng)度相應(yīng)的光生電荷圖像 ,一幅光圖像就轉(zhuǎn)變成了電圖像。 為了讀出存放在 CCD中的電圖像 ,在順序排列的電極上施加交替變化的三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)電壓。 1?2 3 1 21212tt ??時(shí)刻至 時(shí)刻， 電壓線性減小， 為高電平，組電極下的勢(shì)阱變淺，組電極下形成深勢(shì)阱，電荷從 組電極下逐漸轉(zhuǎn)移到 組電極下。向右移，直至輸出。、依此類推，電荷由勢(shì)阱中。入時(shí)刻，電荷逐漸全部移至Ntt?4321243 ?1 1 2 3 1 0 0 1t ? ? ?時(shí)刻， 為（ ），組電極下形成深勢(shì)阱，勢(shì)阱中存儲(chǔ)電荷形成電荷包。 CCD電荷轉(zhuǎn)移工作原理 ?1?2?3t1 t2 t3 t4 t5 t6?????1 ?2 ?3( a)( b) t = t1 t = t2 t = t3 t = t4 t = t5 t = t6 CCD中的信號(hào)電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。 CCD用作光學(xué)圖像傳感器時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子得到，即光注入。光注入方式又可分為正面照射式和背面照射式。 當(dāng) CCD用作信號(hào)處理或存貯器件時(shí)，電荷采用電注入方式，即 CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流采樣，并轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。常用的輸入結(jié)構(gòu)為二極管或幾個(gè)控制輸入柵來實(shí)現(xiàn)電輸入。 P Si N co 勢(shì)壘 U + U +4. 電荷的檢測(cè)（輸出方式 ） CCD的輸出結(jié)構(gòu)的作用是將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電流或電壓的輸出。目前， CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出，通常采用的是浮置柵放大器輸出法。浮置擴(kuò)散輸出法的原理如圖所示。 輸出機(jī)構(gòu)包括輸出柵 、輸出反偏二極管 D、復(fù)位管 T1 和輸出放大器 T2組成。 ? 1 ? 2 ? 3 ? ∞??? ? RT1 T2UCC CSD
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