什么是電荷耦合器件?電荷耦合器件的工作原理是什么?

電荷耦合器件是一種固態(tài)電子器件，電荷耦合器件在日常應(yīng)用中常被人稱為CCD。為增進(jìn)大家對(duì)電荷耦合器件的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)電荷耦合器件、電荷耦合器件的原理予以介紹。如果你對(duì)電荷耦合器件具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、電荷耦合器件

電荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)是一種用于探測(cè)光的硅片，由時(shí)鐘脈沖電壓來(lái)產(chǎn)生和控制半導(dǎo)體勢(shì)阱的變化，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和傳遞電荷信息的固態(tài)電子器件。

電荷耦合器件由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯于1969年發(fā)明，它由一組規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導(dǎo)體( MOS)電容器陣列和輸入、輸出電路組成。電荷耦合器件用電荷量來(lái)表示不同狀態(tài)的動(dòng)態(tài)移位寄存器，比傳統(tǒng)的底片更能敏感的探測(cè)到光的變化。

中國(guó)于1975年研制出32位 CCD移位寄存器。中國(guó)的CCD研制工作主要集中于 CCD成像和信號(hào)處理。CCD攝像器在航空攝像、遙控、工業(yè)自動(dòng)化等部門已獲應(yīng)用。CCD模擬延遲線和抽頭延遲線在雷達(dá)和通信設(shè)備更新中發(fā)揮了重要作用。

傳統(tǒng)的固態(tài)電子器件，信息的存在和表示方式，通常是用電流或電壓 。而在CCD中，則是用電荷，因此CCD對(duì)信息的表達(dá) ，具有更高的靈敏度。固體成像 、信息處理和大容量存儲(chǔ)器是CCD的三大主要用途。各種線陣、面陣傳感器已成功地用于天文、遙感、傳真、攝像等領(lǐng)域。CCD信號(hào)處理兼有數(shù)字和模擬兩種信號(hào)處理技術(shù)的長(zhǎng)處，在中等精度的雷達(dá)和通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用 。CCD還可用作大容量串行存儲(chǔ)器，其存取時(shí)間、系統(tǒng)容量和制造成本都介于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁盤、磁鼓存儲(chǔ)器之間。

二、電荷耦合器件原理

1969年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯在探索磁泡器件的電模擬過(guò)程中，產(chǎn)生了電荷耦合器件的原理設(shè)想，并在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。他們提出，緊密排列在半導(dǎo)體絕緣表面上的電容器，可用來(lái)儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移電荷。初期的CCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的勢(shì)阱都位于硅-二氧化硅界面處,即所謂表面溝道CCD。1972年D.康首先設(shè)想了多數(shù)載流子CCD形式,在此基礎(chǔ)上人們研制出體溝道CCD和“蠕動(dòng)”型CCD的新結(jié)構(gòu),有效地改善了CCD的性能。1973年美國(guó)仙童公司制成CCD攝像傳感器，CCD遂從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用階段。

CCD的雛形是在N型或 P型硅襯底上生長(zhǎng)一層二氧化硅薄層，再在二氧化硅層上淀積并光刻腐蝕出金屬電極，這些規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器陣列和適當(dāng)?shù)妮斎?、輸出電路就?gòu)成基本的 CCD移位寄存器。對(duì)金屬柵電極施加時(shí)鐘脈沖，在對(duì)應(yīng)柵電極下的半導(dǎo)體內(nèi)就形成可儲(chǔ)存少數(shù)載流子的勢(shì)阱?？捎霉庾⑷牖螂娮⑷氲姆椒▽⑿盘?hào)電荷輸入勢(shì)阱。然后周期性地改變時(shí)鐘脈沖的相位和幅度，勢(shì)阱深度則隨時(shí)間相應(yīng)地變化，從而使注入的信號(hào)電荷在半導(dǎo)體內(nèi)作定向傳輸。CCD 輸出是通過(guò)反相偏置PN結(jié)收集電荷，然后放大、復(fù)位，以離散信號(hào)輸出。

電荷轉(zhuǎn)移效率是 CCD最重要的性能參數(shù)之一，用每次轉(zhuǎn)移時(shí)被轉(zhuǎn)移的電荷量和總電荷量的百分比表示。轉(zhuǎn)移效率限制了CCD的最大轉(zhuǎn)移級(jí)數(shù)。

體溝道CCD的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理和表面溝道CCD略有不同。體溝道CCD又稱為埋溝CCD。所謂體溝道即用來(lái)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的溝道是在離開(kāi)半導(dǎo)體表面有一定距離的體內(nèi)形成。體溝道 CCD的時(shí)鐘頻率可高達(dá)幾百兆赫，而通常的表面溝道CCD只幾兆赫。

固體成像、信號(hào)處理和大容量存儲(chǔ)器是 CCD的三大主要用途。各種線陣、面陣像感器已成功地用于天文、遙感、傳真、卡片閱讀、光測(cè)試和電視攝像等領(lǐng)域，微光CCD和紅外CCD在航遙空感、熱成像等軍事應(yīng)用中顯示出很大的作用。CCD 信號(hào)處理兼有數(shù)字和模擬兩種信號(hào)處理技術(shù)的長(zhǎng)處，在中等精度的雷達(dá)和通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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