【正文】 鋁電極 ， 因而具有金屬一氧化物一半導(dǎo)體三層結(jié)構(gòu) ， 如圖 8－ 35（ a） 所示 。 （ a）單元結(jié)構(gòu) （ b）等效電容 圖 8－ 35 MOS基本單元 當(dāng)襯底采用 P型 Si時(shí)，金屬電極上應(yīng)加正偏壓，即 AL電極為正、襯底為負(fù)。 在正偏壓作用下，界面 Si側(cè)的正離子（ P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子）受到排斥，形成一個(gè)耗盡區(qū)，此耗盡區(qū)剩下有多余的負(fù)離子（少數(shù)載流子），故稱之為少子耗盡區(qū)。耗盡區(qū)是一個(gè)低電勢(shì)區(qū)，故又稱其為勢(shì)阱 ，正偏壓越大，勢(shì)阱越深，能收集的電子越多。但是，在外界沒有電荷注入的情況下，只有熱生電子掉入勢(shì)阱而形成暗電流；如此同時(shí)熱生空穴流向襯底，并很快達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這一短暫的過程，稱之為熱馳豫過程。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的 MOS基本單元可等效為一個(gè)電容器，如圖 8－ 35（ b）所示，其等效電容為： dOXdOXG CCCCC???式中 COX — 以 SiO2為介質(zhì)的電容； Cd — 以襯底 Si為介質(zhì)的耗盡區(qū)電容。 （ 8－ 7） 二、 CCD工作原理 1． 信號(hào)電荷的注入 在沒有外界電荷注入時(shí)， CCD各單元?jiǎng)葳蹇煽闯煽遮濉?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用作圖像傳感器時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子即光注入得到。當(dāng)有光照時(shí)，光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，光生電子在正偏壓下迅速注入勢(shì)阱；光照越強(qiáng)，注入的光生電子就越多，此 時(shí)勢(shì)阱中的光生電子數(shù)反映光照強(qiáng)度，故稱勢(shì)阱中的電荷為信號(hào)電荷 。這樣，就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量的多少，實(shí)現(xiàn)光電的轉(zhuǎn)換。 勢(shì)阱中的電子是被存儲(chǔ)狀態(tài)，即使停止光照，一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)丟失，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的記憶。 由于 CCD的 MOS單元密集（相鄰兩單元間距小于 3μ m），眾多單元?jiǎng)葳迨占牟坏刃盘?hào)電荷數(shù)，可以反映一幅空間的光圖像。 總之， CCD結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)微小的 MOS電容，用它構(gòu)成像素，即可感光，又可留下潛影，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的積累電荷，潛影是各個(gè)像素留在電容器里的電荷不等形成的，若能設(shè)法將各個(gè)電容器里的電荷依次傳送到輸出電路，再組成行和幀，并經(jīng)過顯影，就實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞。 CCD用作信號(hào)處理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷輸入采用電注入。 2． 信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的讀出，首先需要將各勢(shì)阱中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中去。 信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移是在每次曝光結(jié)束時(shí)，通過轉(zhuǎn)移柵的控制，即時(shí)迅速地將各勢(shì)阱中的信號(hào)電荷一次 并行轉(zhuǎn)移 至移位寄存器 。移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)，與感光區(qū)的 MOS結(jié)構(gòu)完全一樣，只是多了一個(gè)遮光層（通常在襯底的底部），避免進(jìn)入移位寄存器的信號(hào)電荷再次感光。 3． 信號(hào)電荷的讀出 移位寄存器中的信號(hào)電荷是在一定相序的偏置脈沖電壓作用下，按照一定的方向移位輸出 。目前，偏置脈沖電壓可分二相、三相和四相 ,下面以三相脈沖驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為例 ,介紹信號(hào)電荷的讀出操作。 圖 8－ 36 三相時(shí)鐘脈沖電壓 前沿陡峭、后沿傾斜 圖 8－ 36是 MOS陣列移位寄存器三相偏置脈沖電壓。各 MOS單元分三組，如 MOS 7? 為一組， MOS 8? 為一組， MOS 9? 為一組，各組的電極同接于一相脈沖電壓下，如 ф 1接 MOS 7? ， ф 2接 MOS 8? , ф 3接 MOS 9? 。 在三相時(shí)鐘脈沖電壓 ф ф ф 3作用下，移位寄存器中的信號(hào)電荷由左向右移位串行輸出，如圖 8－ 37所示。 當(dāng)時(shí)鐘 t0＜ t ＜ t1時(shí) ， ф 1為高電平 ， 接于 ф 1下的 MOS 7? 各單元電極下的勢(shì)阱最深 ， 接收的信號(hào)電荷最多 。 ф 2和 ф 3均為低電平 ， 接于 ф 2和 ф 3下的各單元電極下無勢(shì)阱 ， 如圖 8－ 37（ a） 所示 。 當(dāng)時(shí)鐘 t1＜ t ＜ t3時(shí) ， ф 1電平下降 ， ф 2為高電平， 此時(shí)接于 ф 1下的各單元 勢(shì)阱中的 電荷向 ф 2極下右移；接于 ф 1下的各單元?jiǎng)葳逵缮钭儨\ ， 接于 ф 2下的 MOS 8? 各單元電極下有深阱 。 ф 3仍為低電平 ， 接于 ф 3下的各單元電極下仍無勢(shì)阱 ， 如圖 8－ 37（ b） 所示 。 當(dāng)時(shí)鐘 t3＜ t ＜ t5時(shí) ， ф 1變?yōu)榈碗娖?， 接于 ф 1下的各單元?jiǎng)葳逑?。 此時(shí) ф 2電平下降 ， ф 3變?yōu)楦唠娖?，接于 ф 2下的各單元 勢(shì)阱中的 電荷向 ф 3極下右移；接于 ф 2下的各單元?jiǎng)葳逵缮钭儨\ ， 接于 ф 3下的 MOS 9? 各單元電極下的勢(shì)阱變?yōu)樯钰?。 圖 8－ 37 移位寄存器中信號(hào)電荷的左移 由上分析可知， MOS陣列中的信號(hào)電荷是按照一定的時(shí)序不斷地注入、并行轉(zhuǎn)移寄存、串行移位輸出 。 通常電荷注入（感光）時(shí)間較長(zhǎng)（ 20～ 30ms），以獲得足夠的光強(qiáng)信息；轉(zhuǎn)移寄存和輸出的時(shí)間短（ μ s級(jí)），且采取遮光措施，避免信號(hào)電荷受到干擾而使輸出的圖像模糊。由圖 8－ 37分析的 信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移的過程，實(shí)際上是相鄰 MOS單元電荷耦合的過程，因而把這種 MOS陣列結(jié)構(gòu)的器件稱之為電荷耦合器件（ CCD） ；由于不象攝像管需要電子束掃描，故又稱自掃描器件。這種具有感光（攝像）、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移及串行輸出的 CCD功能器件，成像速度快，目前廣泛應(yīng)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的攝像、傳真、遙測(cè)、文字或圖像信息的識(shí)別等許多領(lǐng)域。 三、 CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu) 利用 CCD功能器件制成的 CCD圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)分為線陣CCD（ LCCD）和面陣 CCD（ SCCD）兩種形式。 圖 838 線陣 CCD 圖像傳感器 （ a）單通道 （ b）雙通道 1． LCCD圖像傳感器 LCCD圖像傳感器由排列成直線式的 MOS感光單元陣列、轉(zhuǎn)移柵和移位寄存器三部分組成 。 信號(hào)電荷采用單邊轉(zhuǎn)移和移位輸出時(shí)，稱之為 單通道 LCCD，如圖 8－ 38（ a）所示。所有 MOS感光單元電極施加同一個(gè)感光偏置脈沖 ф G ，當(dāng) ф G高電平時(shí)，對(duì)感光區(qū)曝光，感光單元陣列接收空間光強(qiáng)信息，變成信號(hào)電荷。在轉(zhuǎn)移柵上接一轉(zhuǎn)移控制脈沖 ф T ，感光區(qū)曝光時(shí)為低電平（傳遞門關(guān)閉），曝光結(jié)束時(shí) ф G變?yōu)榈碗娖剑? ф T 變?yōu)楦唠娖剑▊鬟f門打開），各感光單元的信號(hào)電荷迅速并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器各單元中去。轉(zhuǎn)移結(jié)束時(shí) ф T 變?yōu)榈碗娖剑▊鬟f門重新關(guān)閉），隨后移位寄存器在三相移位脈沖 ф ф ф 3 的控制下，串行移位輸出信號(hào)電荷。 圖 8－ 38（ b） 是 雙通道 LCCD轉(zhuǎn)移和輸出控制方式 ，此時(shí) MOS陣列 感光單元按排列順序分為奇數(shù)和偶數(shù)地址單元 。 當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖 ф T變?yōu)楦唠娖綍r(shí) ， 奇單元地址中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)存到對(duì)應(yīng)的奇單元移位寄存器中 ， 偶單元地址中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)存到對(duì)應(yīng)的偶單元移位寄存器中 。 ф T變?yōu)榈碗娖綍r(shí) ， 奇 、 偶移位寄存器在相同的時(shí)序脈沖 ф ф ф 3 的控制下 ， 產(chǎn)生同步移位輸出 ， 使得感光區(qū)相鄰奇 、偶地址單元中的信號(hào)電荷在輸出端重新組合 ， 恢復(fù)光生信號(hào)電荷原有的分布 。 雙通道 LCCD比相同長(zhǎng)度的單通道 LCCD的 MOS陣列密度可以增加一倍 ， 因而光電轉(zhuǎn)換輸出的圖像信息分辨率提高一倍；在相同的感光單元的情況下 ， 雙通道 LCCD所需的移位寄存器的級(jí)數(shù) （ 單邊 ） 減小一倍 ， 移位過程中引起的信號(hào)電荷損失大大減小 ， 因而減小了輸出信號(hào)的失真；同時(shí)可減小封裝尺寸 ， 提高 CCD圖像傳感器的性能 。 2． SCCD圖像傳感器 SCCD圖像傳感器由面陣式 MOS感光區(qū)、轉(zhuǎn)移寄存器和讀出寄存器三部分組成 。根據(jù)感光區(qū)和轉(zhuǎn)移寄存器的分布方式不同，又分為幀轉(zhuǎn)移 SCCD和行間轉(zhuǎn)移 SCCD兩種。 （ a）幀轉(zhuǎn)移 （ b）行間轉(zhuǎn)移 圖 8－ 39 面陣 CCD圖像傳感器 圖 8－ 39（ b） 是行間轉(zhuǎn)移 SCCD結(jié)構(gòu)示意圖 ， 其特點(diǎn)是感光區(qū)MOS陣列與轉(zhuǎn)移寄存器 MOS陣列交錯(cuò)排列 ， 感光區(qū)信號(hào)電荷移至轉(zhuǎn)移寄存器的行程距離較短 ， CCD芯片結(jié)構(gòu)尺寸較小 ， 工作頻率得到提高 。 轉(zhuǎn)移寄存器和讀出寄存器亦都是光屏蔽結(jié)構(gòu) ， 具有良好的光信息保真功能 。 因而 ， 這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有較高的圖像清晰度 。 由于感光區(qū) MOS陣列與轉(zhuǎn)移寄存器 MOS陣列交錯(cuò)排 ， 因而不能從感光區(qū)MOS襯底光照；此時(shí)需采用透明電極 ， 光由電極正面投射 ， 將導(dǎo)致靈敏度下降 。 圖 8－ 39（ a）是幀轉(zhuǎn)移 SCCD結(jié)構(gòu)示意圖，感光區(qū) MOS陣列與轉(zhuǎn)移寄存器的 MOS陣列相同。 在一定節(jié)拍的轉(zhuǎn)移控制脈沖作用下，感光區(qū)的光圖像信息由下到上一幅幅（幀）地轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移寄存器中，如此同時(shí)轉(zhuǎn)移寄存器中信號(hào)電荷由下到上一行行地移到讀出寄存器中，讀出寄存器則在高速脈沖控制下即時(shí)將信號(hào)電荷依次移位輸出。在這種結(jié)構(gòu)下，感光區(qū)與寄存區(qū)完全分開，并對(duì)寄存區(qū)遮光，能保證光圖像的清晰度；但兩區(qū)的 MOS單元個(gè)數(shù)相同，至使結(jié)構(gòu)尺寸比較大。 思考與練習(xí)題 1． 光電效應(yīng)及其分類？ 2． 光電池的開路電壓及短路電流是如何定義的？為什 么光電池用作檢測(cè)元件時(shí)要采用短路電流輸出形式？ 3． 為什么說光敏晶體管比光敏二極管具有更高的光照 靈敏度？ *4. 當(dāng)采用波長(zhǎng)為 800～ 900nm的紅外光源時(shí)，宜采用哪 幾種光電器件作為測(cè)量元件？ 5． 硅、鍺等材料光敏感波長(zhǎng)范圍及其峰值光波長(zhǎng)？ *6．光柵傳感器辨向原理及細(xì)分技術(shù)？ 7． CCD單元?jiǎng)葳宓男纬杉疤匦裕? *8. 求光纖 N1=,N2= NA值，如果外部的 N0=1， 試求光纖的臨界入射角。