光電子技術(shù)課后答案(編輯修改稿)
2024-07-15 19:29 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 基本原理。CCD的輸出信號(hào)有什么特點(diǎn)？答：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)電容器。正如其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MOS結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極（稱為柵）上加一個(gè)正的階梯電壓時(shí)（襯底接地），SiSiO2界面處的電勢(shì)（稱為表面勢(shì)或界面勢(shì)）發(fā)生相應(yīng)變化，附近的P型硅中多數(shù)載流子——空穴被排斥，形成所謂耗盡層，如果柵電壓VG超過(guò)MOS晶體管的開(kāi)啟電壓，則在SiSiO2界面處形成深度耗盡狀態(tài)，由于電子在那里的勢(shì)能較低，我們可以形象化地說(shuō)：半導(dǎo)體表面形成了電子的勢(shì)阱，可以用來(lái)存儲(chǔ)電子。當(dāng)表面存在勢(shì)阱時(shí)，如果有信號(hào)電子（電荷）來(lái)到勢(shì)阱及其鄰近，它們便可以聚集在表面。隨著電子來(lái)到勢(shì)阱中，表面勢(shì)將降低，耗盡層將減薄，我們把這個(gè)過(guò)程描述為電子逐漸填充勢(shì)阱。勢(shì)阱中能夠容納多少個(gè)電子，取決于勢(shì)阱的“深淺”，即表面勢(shì)的大小，而表面勢(shì)又隨柵電壓變化，柵電壓越大，勢(shì)阱越深。如果沒(méi)有外來(lái)的信號(hào)電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域在一定溫度下產(chǎn)生的電子將逐漸填滿勢(shì)阱，這種熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光照下產(chǎn)生的載流子。因此，電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能存儲(chǔ)電荷。以典型的三相CCD為例說(shuō)明CCD電荷轉(zhuǎn)移的基本原理。三相CCD是由每三個(gè)柵為一組的間隔緊密的MOS結(jié)構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個(gè)柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，亦稱時(shí)鐘脈沖。三相時(shí)鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時(shí)刻，φ1高電位，φφ3低電位。此時(shí)φ1電極下的表面勢(shì)最大，勢(shì)阱最深。假設(shè)此時(shí)已有信號(hào)電荷（電子）注入，則電荷就被存儲(chǔ)在φ1電極下的勢(shì)阱中。t2時(shí)刻，φφ2為高電位，φ3為低電位，則φφ2下的兩個(gè)勢(shì)阱的空阱深度相同，但因φ1下面存儲(chǔ)有電荷，則φ1勢(shì)阱的實(shí)際深度比φ2電極下面的勢(shì)阱淺，φ1下面的電荷將向φ2下轉(zhuǎn)移，直到兩個(gè)勢(shì)阱中具有同樣多的電荷。t3時(shí)刻，φ2仍為高電位，φ3仍為低電位，而φ1由高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí)φ1下的勢(shì)阱逐漸變淺，使φ1下的剩余電荷繼續(xù)向φ2下的勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移。t4時(shí)刻，φ2為高電位，φφ3為低電位，φ2下面的勢(shì)阱最深，信號(hào)電荷都被轉(zhuǎn)移到φ2下面的勢(shì)阱中，這與t1時(shí)刻的情況相似，但電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)電極的位置。當(dāng)經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期T后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移三個(gè)電極位置，即一個(gè)柵周期（也稱一位）。因此，時(shí)鐘的周期變化，就可使CCD中的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到輸出端，其工作過(guò)程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。 電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”結(jié)構(gòu)、“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出”結(jié)構(gòu)。其中“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛。輸出結(jié)構(gòu)包括輸出柵OG、浮置擴(kuò)散區(qū)FD、復(fù)位柵R、復(fù)位漏RD以及輸出場(chǎng)效應(yīng)管T等。所謂“浮置擴(kuò)散”是指在P型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n+區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，即處于浮置狀態(tài)工作時(shí)，稱作“浮置擴(kuò)散區(qū)”。電荷包的輸出過(guò)程如下：VOG為一定值的正電壓，在OG電極下形成耗盡層，使φ3與FD之間建立導(dǎo)電溝
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