第3章 半导体光电检测器件及应用4.ppt

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1、光电耦合器件 在工业检测、电信号的传送处理和计算机在工业检测、电信号的传送处理和计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器或复杂系统中，常用继电器、脉冲变压器或复杂的电路来实现输入端、输出端装置于主机的电路来实现输入端、输出端装置于主机之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压器体积大、频率窄，所以它们都不是理想器体积大、频率窄，所以它们都不是理想的部件。随着光电技术的发展，的部件。随着光电技术的发展，70年代以年代以后出现了一种新的功能器件后出现了一种新的功能器件光电耦合光电耦合器。器。光电耦

2、合器件 定义：发光器件与光接收器件组合的一种器件，这种定义：发光器件与光接收器件组合的一种器件，这种器件在信息的传输过程中是用光作媒介把输入端的电器件在信息的传输过程中是用光作媒介把输入端的电信号耦合到输出端，制成的具有信号传输功能的器件，信号耦合到输出端，制成的具有信号传输功能的器件，也叫光耦合器。也叫光耦合器。类型：类型：光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，以便实现电路间光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，以便实现电路间的电气隔离和消除噪声。的电气隔离和消除噪声。光传感器：一种固体传感器，用于检测物体的位置或检测物光传感器：一种固体传感器，用于检测物体的位置或检测物体有无的状态。体有无的状

3、态。发光器件：，灯等发光器件：，灯等光接收器件：光电二极管三极管，光电光接收器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。池，光敏电阻。光电耦合器的结构示意图4 4光电耦合器件光电耦合器件光电耦合继电器光电耦合继电器光电隔离器（传感器）光电隔离器（传感器）光电耦合器件的工作原理 光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。光电耦合器由发光器件（发光二极管）和受光器件（光敏三极管）封装在一个组件内构成；当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。光耦合器件有透光型

4、与反射型两种。在透光型光耦合器件中，发光器件与受光器件面对面安放，在它们之间有一间隔，当物体通过这一间隔时，发射光被切断。利用这一现象可以检测出物体的有无。采用这种方式的耦合器件后边连接的接口电路设计比较简单，检测位置精度也高。反射型光耦合器件从发光器件来的光反射到物体上面由受光器件来检测出，比起透光型来显得体积小，把它放在物体的侧面就能使用。7 7光电耦合器件的特点光电耦合器件的特点具有电隔离的功能；信号的传输是单向性的，适用于模拟和数字信号传输；具有抗干扰和噪声的能力，可以抑制尖脉冲及各种噪声，发光器件为电流驱动器件。可理解为：1 1、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；2

5、2、LED发光需要一定能量，因此可以抑制高电压、低能量的干扰；3 3、采用光耦合，且密封安装，抑制外界杂散光干扰；4 4、寄生电容小(0.5pF-2pF)，绝缘电阻大(105-107M)，抑制反馈噪声。响应速度快；使用方便，结构小巧，防水抗震，工作温度范围宽；即具有耦合特性又具有隔离特性。光电耦合器能很容易把不同电位的两组电光电耦合器能很容易把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电平匹配、电平路互连起来，圆满地完成电平匹配、电平转移等功能。光电耦合器的输入端的发光转移等功能。光电耦合器的输入端的发光器件是电流驱动器件，通过光与输出端耦器件是电流驱动器件，通过光与输出端耦合，抗干扰能力很强，在

6、长线传输中用它合，抗干扰能力很强，在长线传输中用它作为终端负载时，可以大大提高信息在传作为终端负载时，可以大大提高信息在传输中的信噪比。输中的信噪比。光电耦合器件的主要参数光电耦合器件的主要参数1、电流传输比I Ic c/mA/mAI Ic3c3I Ic2c2I Ic1c1U Uc c/V/VI IF3F3I IF2F2I IF1F1Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1I IF FI IF FI IF FQ QI IF FO O 定义为在直流状态下，光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比。如图中在Q点处电流传输比为：如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：在饱和区和截

7、止区都变小。在饱和区和截止区都变小。1010与IF的关系：由于发光二极管发出的光不总与电流成正比，所以有如图示的变化。4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 50 100 15050 100 150 电流电流/mA/mA输输出出功功率率/mmWW发光二极管的发光二极管的P-IP-I曲线曲线0 10 20 30 40 50 60 700 10 20 30 40 50 60 701201201001008080606040402020I IF F/mA/mAI IF F与与的关系曲线的关系曲线2、最高工作频率，f/M Hzf/M Hz相相对对输输出出1.01.00.7070.7070 0f f m

8、1m1f f m2m2f f m3m3R RL1L1RRL2L2RRL3L3 最高工作频率取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。同时与负载电阻的阻值有关，阻值越大，最高工作频率越低。1212光电耦合器件光电耦合器件的抗干扰特性的抗干扰特性光电耦合器件的重要优点就是能强有力地抑制尖脉冲及各种噪声等干扰，从而在传输信息中提高了信噪比。原因：光电耦合器件的输入阻抗很低，一般101k；而干扰源的内阻很大，一般为10e3-10e6；按分压比计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小。一般干扰噪声源内阻很大，虽能供给较大干扰电压，但可供出电流却很小；而光电耦合器件输入端的发光二极管只能在一定电

9、流时才发光。因此，即使干扰的电压很高，也不能使发光二极管发光，从而被抑制掉；光电耦合器件的光耦合是在密封管壳内进行，不受外界光的干扰；光电耦合器件输入/输出间寄生电容很小，绝缘电阻又非常大，因此输出系统的各种干扰噪声难通过光电耦合器件反馈到输入系统中。1313光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用1 1、代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小。、代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小。2 2、代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。、代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。3 3、完成电平匹配和电平转换功能。、完成电平匹配和电平转换功能。4 4、用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性。、

10、用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性。5 5、饱和压降低，代替三极管做为开关元件。、饱和压降低，代替三极管做为开关元件。6 6、在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简单可、在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简单可靠。靠。1、电平转换 在工业控制系统中所用的集成电路的电源电压和在工业控制系统中所用的集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度有时不尽相同。对于不同电平的信号脉冲的幅度有时不尽相同。对于不同电平的转换电路或输入、输出电路的电位需要分开时，转换电路或输入、输出电路的电位需要分开时，采用光电耦合器就显得十分方便了。采用光电耦合器就显得十分方便了。图（图（a a）与（）与（b b）图示

11、电路，就是）图示电路，就是5V5V电源的电源的TTLTTL集集成电路与成电路与15V15V电源的电源的HTLHTL集成电路，相互连接进行集成电路，相互连接进行电平转换的基本电路。电平转换的基本电路。图（图（a a）中，）中，TTLTTL门电路导通时，即输出低电平，门电路导通时，即输出低电平，发光二极管导通，光电三极管输出高电平；发光二极管导通，光电三极管输出高电平；TTLTTL门电门电路截止时，发光二极管截止，光电三极管输出低电平。路截止时，发光二极管截止，光电三极管输出低电平。图（图（b b）中，则是利用）中，则是利用TTLTTL截止输出高电平，发光截止输出高电平，发光二极管导通，光电三极管

12、输出低电平；二极管导通，光电三极管输出低电平；TTLTTL导通输出导通输出低电平，发光二极管截止，光电三极管输出高电平。低电平，发光二极管截止，光电三极管输出高电平。在进行具体应用时，因在进行具体应用时，因CMOSCMOS集成电路在低电平集成电路在低电平时的电流只有时的电流只有1 12mA2mA，难以直接驱动所接的负载，难以直接驱动所接的负载，故一般需加一级三极管放大电路来驱动。故一般需加一级三极管放大电路来驱动。2、组成开关电路 图图1 1电路中，当输入信号电路中，当输入信号uiui为低电平时，晶体管为低电平时，晶体管V1V1处于截止状态，光电耦合器处于截止状态，光电耦合器B1B1中发光二极

13、管的电中发光二极管的电流近似为零，输出端流近似为零，输出端Q11Q11、Q12Q12间的电阻很大，间的电阻很大，相当于开关相当于开关“断开断开”；当；当uiui为高电平时，为高电平时，v1v1导通，导通，B1B1中发光二极管发光，中发光二极管发光，Q11Q11、Q12Q12间的电阻变小，间的电阻变小，相当于开关相当于开关“接通接通”该电路因该电路因UiUi为低电平时，为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态同理，图开关不通，故为高电平导通状态同理，图2 2电路电路中，因无信号中，因无信号(Ui(Ui为低电平为低电平)时，开关导通，故为低时，开关导通，故为低电平导通状态电平导通状态 3、组成逻辑

14、门电路 电路为电路为“与门与门”逻辑电路。其逻辑表达式为逻辑电路。其逻辑表达式为P=AP=AB.B.图中两图中两只光电耦合器串联，只有当输入逻辑电平只光电耦合器串联，只有当输入逻辑电平A=1A=1、B=1B=1时，输时，输出出P=1P=1同理，还可以组成同理，还可以组成“或门或门”、“与非门与非门”、“或非或非门门”等逻辑电路等逻辑电路 2020CCDCCDCCDCCD背景知识：背景知识：背景知识：背景知识：人们获取的信息量的绝大部分都是通过人们获取的信息量的绝大部分都是通过视觉器官视觉器官视觉器官视觉器官得到得到的，为此获得性能良好的的，为此获得性能良好的图像传感器图像传感器图像传感器图像传

15、感器一直是人们的追求，一直是人们的追求，早期的早期的非固态图像传感器非固态图像传感器非固态图像传感器非固态图像传感器-电子束摄像管电子束摄像管电子束摄像管电子束摄像管与后来的固态图与后来的固态图像传感器相比，有像传感器相比，有工作电压高，功耗大，寿命短，笨重等工作电压高，功耗大，寿命短，笨重等工作电压高，功耗大，寿命短，笨重等工作电压高，功耗大，寿命短，笨重等众多缺点众多缺点众多缺点众多缺点。而而固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器的开发直到的开发直到集成电路集成电路集成电路集成电路出现后出现后才开始，而怎样将才开始，而怎样将光照到半导体产生的电信号光照到半导体产生的电信号

16、光照到半导体产生的电信号光照到半导体产生的电信号，正确有效正确有效正确有效正确有效取出取出取出取出是图像传感器是图像传感器固态化固态化固态化固态化最大的问题最大的问题。电荷耦合器件(CCD)2121CCDCCDCCDCCD背景知识：背景知识：背景知识：背景知识：19691969年，为了改进年，为了改进存储技术，美国贝尔实验室的存储技术，美国贝尔实验室的维拉博伊尔(Willard S.Boyle)和乔治史密斯（George E.Smith）将将可视电话可视电话和和半导体泡存储半导体泡存储技术结合，设计了可以沿半导体表面传导电技术结合，设计了可以沿半导体表面传导电荷的荷的“电荷电荷 泡泡 器件器件

17、”（Charge Charge“BubbleBubble”Devices Devices），），率先发明了率先发明了CCD CCD（Charge Coupled DeviceCharge Coupled Device，电荷耦合件），电荷耦合件），并在次年以，并在次年以 “Charge Coupled Semiconductor Charge Coupled Semiconductor DevicesDevices”为题发表论文，元件本身开始是被当作为题发表论文，元件本身开始是被当作单纯的单纯的存储器存储器使用使用 。由于它能存储并传输信号电荷，随后人们。由于它能存储并传输信号电荷，随后人们认识

18、到，认识到，CCDCCD还可以利用还可以利用内光电效应来拍摄并存储图象，内光电效应来拍摄并存储图象，具备图像传感器的功能具备图像传感器的功能。22228-3 电荷耦合器件CCDCCD背景知识：背景知识：经过人们经过人们3030多年的研究与开发，多年的研究与开发，CCDCCD在像素集成度、分辨力、灵在像素集成度、分辨力、灵敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其应用正从一维、二维敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其应用正从一维、二维向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，目前向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，目前CCDCCD已成为已成为光子光子探测探测及及视频采集领域视频采集领域最重要

19、的技术，已被普遍认为是最重要的技术，已被普遍认为是2020世纪世纪7070年代年代以来出现的最重要的半导体器件之一，得到了广泛应用。以来出现的最重要的半导体器件之一，得到了广泛应用。2323电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件(C Charge-Coupled Device(harge-Coupled Device(harge-Coupled Device(harge-Coupled Device(简称简称简称简称CCDCCDCCDCCD)）说明：说明：CCDCCD并不是一种新发明的器件，是并不是一种新发明的器件，是MOSMOSMOSMOS电容器的一种新的用法电容器的一种新的用法电

20、容器的一种新的用法电容器的一种新的用法。在在适当次序的时钟控制下适当次序的时钟控制下适当次序的时钟控制下适当次序的时钟控制下，CCDCCD能够使能够使电荷量有控制地穿过半导体电荷量有控制地穿过半导体电荷量有控制地穿过半导体电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电荷的转换的衬底而实现电荷的转换的衬底而实现电荷的转换的衬底而实现电荷的转换。CCDCCDCCDCCD主要功能：主要功能：主要功能：主要功能：信息处理和信息存储器件信息处理和信息存储器件信息处理和信息存储器件信息处理和信息存储器件固态图像传感固态图像传感固态图像传感固态图像传感 有有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光体积小、

21、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一

22、系列优点点点点。被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。业检测和自动控制系统。业检测和自动控制系统。业检测和自动控制系统。2424MOSMOS电容器组成的光敏元及数据面的电容器组成的光敏元及数据面的电容器组成的光敏元及数据面的电容器组成的光敏元及数据面的显微照片显微照片显微照片显微照片彩色CCD显微照片（放大7000倍）CCD读出移位寄存器的数据面显微照片1 CCD1 CCD器件结构器件结构 CCDCCD是

23、由一系列排得很紧密的是由一系列排得很紧密的MOSMOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体半导体)电容电容器组器组成。成。25251 CCD1 CCD1 CCD1 CCD器件结构器件结构器件结构器件结构 它是以它是以电荷作为信号电荷作为信号电荷作为信号电荷作为信号，通过电荷的存储和转移通过电荷的存储和转移通过电荷的存储和转移通过电荷的存储和转移，来，来实现信号的实现信号的实现信号的实现信号的存储和转移存储和转移存储和转移存储和转移，这是它的突出特点。因此，这是它的突出特点。因此，CCDCCDCCDCCD工作过程的主要问题工作过程的主要问题是信号是信号电荷的产生、存储、传输和检测电荷的产生、存储、

24、传输和检测电荷的产生、存储、传输和检测电荷的产生、存储、传输和检测。以下分别说明。以下分别说明。作为作为作为作为CCDCCDCCDCCD的基本单元的基本单元的基本单元的基本单元MOSMOSMOSMOS电容器的电容器的电容器的电容器的结构如图结构如图结构如图结构如图1 1 1 1所示。在硅片上通过氧所示。在硅片上通过氧所示。在硅片上通过氧所示。在硅片上通过氧化生成一层化生成一层化生成一层化生成一层SiOSiOSiOSiO2 2 2 2为绝缘层为绝缘层为绝缘层为绝缘层(0.1m)(0.1m)(0.1m)(0.1m)，再，再，再，再蒸镀一层小面积蒸镀一层小面积蒸镀一层小面积蒸镀一层小面积金属金属金属

25、金属作为电极，称作为电极，称作为电极，称作为电极，称栅栅栅栅极极极极，半导体硅半导体硅半导体硅半导体硅(以以以以P P P P型硅为例）作为型硅为例）作为型硅为例）作为型硅为例）作为底底底底电极电极电极电极，又称，又称，又称，又称衬底衬底衬底衬底。(电容器间隔电容器间隔电容器间隔电容器间隔1m)1m)1m)1m)图图图图1 MOS1 MOS1 MOS1 MOS电容器结构示意图电容器结构示意图电容器结构示意图电容器结构示意图2626 半导体物理学知识告诉我们，热或光的激发热或光的激发可在半导体内产生电子-空穴对，故半导体载流子有带负电荷的电子，也有带正电荷的空穴。P P型半导体里空穴浓度高型半导

26、体里空穴浓度高，为多数载流子，电子浓度少，为少数载流子，N型半导体则相反。当外界有光信号射入到当外界有光信号射入到MOSMOS电容器的电容器的P P型半导体内时，型半导体内时，会产生电子会产生电子-空穴对空穴对，光越强，电子-空穴对越多，这样光的强弱就与电子-空穴对的数量对应起来，信号电荷产生信号电荷产生了，光信号就转换为电信号光信号就转换为电信号。2 2 2 2 信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的产生n n外加电压条件外加电压条件外加电压条件外加电压条件 V V V VG G G G=0=0=0=0：如果在如果在MOSMOS栅极栅极G G上施加上施加V VG G=0=0时时

27、，P P型半导体从体内到表面处是电中型半导体从体内到表面处是电中性的（忽略氧化层中电荷及界面态电荷）。性的（忽略氧化层中电荷及界面态电荷）。图图2 2 栅极电压为栅极电压为0V0V2 2 信号电荷的存储信号电荷的存储n n外加电压条件外加电压条件外加电压条件外加电压条件 0V0V0V0VG G G G VVVVT T T T：如果在如果在MOSMOS栅极栅极G G上施加正电压上施加正电压V VG G，当，当V VG G较小时（较小时（0000V V V VG G G GVVVVVVVT T T T 如果在如果在MOSMOS栅极栅极G G上施加足够大的正电压上施加足够大的正电压V VG G（V

28、V V VG G G G V V V VT T T T )，由此产生的，由此产生的半导体与绝缘体界面上的电势（称为半导体与绝缘体界面上的电势（称为表面势表面势表面势表面势）很高，多数载流子空）很高，多数载流子空穴被排斥到衬底的底侧。穴被排斥到衬底的底侧。此时若周围有电子（光生激发），此时若周围有电子（光生激发），此时若周围有电子（光生激发），此时若周围有电子（光生激发），将被吸引到表面处，称此种状态为非稳态将被吸引到表面处，称此种状态为非稳态将被吸引到表面处，称此种状态为非稳态将被吸引到表面处，称此种状态为非稳态（热非平衡状态）。（热非平衡状态）。（热非平衡状态）。（热非平衡状态）。可以形象地

29、说：表面可以形象地说：表面处构成了对于电子的处构成了对于电子的“陷阱陷阱”，称之为势，称之为势阱阱,V,VG G 越大，表面势越大，势阱越深。越大，表面势越大，势阱越深。这样这样信号电子将被吸入势阱形成了电荷包信号电子将被吸入势阱形成了电荷包信号电子将被吸入势阱形成了电荷包信号电子将被吸入势阱形成了电荷包存储起来存储起来存储起来存储起来，空穴则被排斥到半导体的底侧，空穴则被排斥到半导体的底侧，即使即使光照停止，一定时间内也不会损失光照停止，一定时间内也不会损失光照停止，一定时间内也不会损失光照停止，一定时间内也不会损失，光信息就这样被记录下来光信息就这样被记录下来光信息就这样被记录下来光信息就

30、这样被记录下来了。了。图图2 2 栅极电压小于阀值电压栅极电压小于阀值电压2 2 信号电荷的存储信号电荷的存储3030必须注意的问题必须注意的问题必须注意的问题必须注意的问题 热激发也会产生电子空穴对，其产生电子也会吸引到势阱中，热激发也会产生电子空穴对，其产生电子也会吸引到势阱中，当表面处电子（少数载流子）浓度超过了空穴浓度当表面处电子（少数载流子）浓度超过了空穴浓度(多数载流子）多数载流子）时，即此处半导体由时，即此处半导体由P P型变为型变为N N型，形成一层反型层，此时型，形成一层反型层，此时 ,如图所如图所示，当势阱中填满了电子示，当势阱中填满了电子,势阱中的电子不再增加了，便达到稳

31、态势阱中的电子不再增加了，便达到稳态（热平衡状态）。（热平衡状态）。因此因此信号电荷的储存必须在达到稳态之前完成信号电荷的储存必须在达到稳态之前完成信号电荷的储存必须在达到稳态之前完成信号电荷的储存必须在达到稳态之前完成。图3 栅极电压大于阀值电压2 2 信号电荷的存储信号电荷的存储31312 2 信号电荷的存储信号电荷的存储uG10V10VUG=5VUG=10VUG=15V空势阱填充1/3势阱全满势阱MOSMOS电容存储信号电荷的容量为：电容存储信号电荷的容量为：Q=CQ=Coxox U UG G A A3 3 3 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输信号电荷的转

32、移和传输 如前所述加在如前所述加在MOSMOSMOSMOS电容器上的电容器上的电压电压电压电压V V V VG G G G愈高，产生的势阱愈深愈高，产生的势阱愈深愈高，产生的势阱愈深愈高，产生的势阱愈深，在，在一定电压下，一定电压下，势阱深度随着其中信号电荷量的增加而线性的下降势阱深度随着其中信号电荷量的增加而线性的下降势阱深度随着其中信号电荷量的增加而线性的下降势阱深度随着其中信号电荷量的增加而线性的下降。利用这个特性，通过控制利用这个特性，通过控制CCDCCDCCDCCD相邻相邻MOSMOSMOSMOS电容器电容器栅极电压的高低栅极电压的高低栅极电压的高低栅极电压的高低来调节来调节势阱的深

33、浅，使信号电荷势阱的深浅，使信号电荷从势阱浅的地方流向相邻的深势阱处从势阱浅的地方流向相邻的深势阱处从势阱浅的地方流向相邻的深势阱处从势阱浅的地方流向相邻的深势阱处，这，这样便实现了样便实现了信号电荷的转移信号电荷的转移信号电荷的转移信号电荷的转移，故故故故CCDCCDCCDCCD这部分又称为这部分又称为动态移位寄存器动态移位寄存器动态移位寄存器动态移位寄存器的作用。（的作用。（信号电荷的转移信号电荷的转移信号电荷的转移信号电荷的转移过程也是在过程也是在热非平衡态下进行热非平衡态下进行热非平衡态下进行热非平衡态下进行的。因此的。因此CCDCCDCCDCCD信号的存储和传输都必须在达到热平衡态之

34、前进行，信号的存储和传输都必须在达到热平衡态之前进行，CCDCCDCCDCCD是非平是非平是非平是非平衡光电传感器件衡光电传感器件衡光电传感器件衡光电传感器件。为避免光照影响，。为避免光照影响，CCDCCDCCDCCD的移位寄存器表面上覆盖的移位寄存器表面上覆盖了不透光的金属。了不透光的金属。）33333 3 3 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输 CCD CCD的基本功能是具有存储与转移信息电荷的能力，故又称它的基本功能是具有存储与转移信息电荷的能力，故又称它为为动态移位寄存器动态移位寄存器动态移位寄存器动态移位寄存器。实现电荷转移条件：。实

35、现电荷转移条件：首先，为了实现信号电荷的转换，首先，为了实现信号电荷的转换，首先必须使首先必须使首先必须使首先必须使MOSMOS电容阵列的排电容阵列的排电容阵列的排电容阵列的排列足够紧密列足够紧密列足够紧密列足够紧密，以致相邻以致相邻MOSMOS电容的势阱相互电容的势阱相互沟通沟通沟通沟通，即相互，即相互耦合耦合耦合耦合。通。通常相邻常相邻MOSMOS电容电极间隙必须小于电容电极间隙必须小于3 3mm，甚至小至，甚至小至0.2 0.2 mm以下。以下。其次，根据加在其次，根据加在MOSMOS电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，通过控制相邻通过控制相邻

36、通过控制相邻通过控制相邻MOSMOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅电容栅极电压高低来调节势阱深浅电容栅极电压高低来调节势阱深浅电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷，使信号电荷由由势阱浅势阱浅势阱浅势阱浅的地方的地方流向势阱深处流向势阱深处流向势阱深处流向势阱深处。第三，在第三，在CCDCCD中电荷的转移必须按照中电荷的转移必须按照确定的方向确定的方向确定的方向确定的方向。在在CCDCCD中电荷的转移（右移）条件：中电荷的转移（右移）条件：在在在在MOSMOSMOSMOS阵列上所加的各路电压脉冲即时钟脉冲，必须阵列上所加的各路电压脉冲即时钟脉冲，必须阵列上所加的各路电压脉冲即时钟脉冲，必须

37、阵列上所加的各路电压脉冲即时钟脉冲，必须严格满足严格满足严格满足严格满足相位要求相位要求相位要求相位要求，使得，使得，使得，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一任何时刻势阱的变化总是朝着一任何时刻势阱的变化总是朝着一任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向个方向个方向个方向。例如，电荷是。例如，电荷是。例如，电荷是。例如，电荷是向右转移向右转移向右转移向右转移，则任何时刻，当存有信，则任何时刻，当存有信，则任何时刻，当存有信，则任何时刻，当存有信号的势阱抬起时，在它号的势阱抬起时，在它号的势阱抬起时，在它号的势阱抬起时，在它右边右边右边右边的势阱总比它左边的的势阱总比它左边的的势阱总比它左边的的势阱总比

38、它左边的深深深深，这样，这样，这样，这样，就保证了就保证了就保证了就保证了电荷始终朝右边转移电荷始终朝右边转移电荷始终朝右边转移电荷始终朝右边转移。3 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输3535涉及概念：位，相线，位数涉及概念：位，相线，位数涉及概念：位，相线，位数涉及概念：位，相线，位数“位位位位”的含义：的含义：的含义：的含义：为了实现这种定向转移，在为了实现这种定向转移，在CCDCCD的的MOSMOS阵列上划分成阵列上划分成以几个相邻以几个相邻MOSMOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位；电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位；“相线相线相线相线”的含义：的含

39、义：的含义：的含义：将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同电极称为相线。自共同的电极上，此共同电极称为相线。举例：把举例：把MOSMOS线列电容划分成相邻三个线列电容划分成相邻三个MOSMOS为一单元，其中第为一单元，其中第1 1、4 4、7 7电容的栅极连接在同一根相线上，第电容的栅极连接在同一根相线上，第2 2、5 5、8 8连接到第二连接到第二个共同相线，第个共同相线，第3 3、6 6、9 9则连接到第三个共同相线。则连接到第三个共同相线。一位一位CCDCCD中含的电容个数中含的电容个数=CCD=CCD的相数的相数=CCD=

40、CCD的位数的位数3 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输3636通常通常通常通常CCDCCDCCDCCD结构：二相、三相、四相结构：二相、三相、四相结构：二相、三相、四相结构：二相、三相、四相时钟脉冲：二相、三相、四相。时钟脉冲：二相、三相、四相。时钟脉冲：二相、三相、四相。时钟脉冲：二相、三相、四相。二相脉冲：两种脉冲相位相差二相脉冲：两种脉冲相位相差二相脉冲：两种脉冲相位相差二相脉冲：两种脉冲相位相差180180180180；三相三相三相三相/四相脉冲：四相脉冲：四相脉冲：四相脉冲：120120120120及及及及90909090。当这种时序脉冲加到当这种时序脉冲加到当这种时序脉

41、冲加到当这种时序脉冲加到CCDCCDCCDCCD的无限循环结构上时，将实的无限循环结构上时，将实的无限循环结构上时，将实的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移现信号电荷的定向转移现信号电荷的定向转移现信号电荷的定向转移3 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输37373 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输二相二相CCDCCD如图所示如图所示t=tt=t1 1时，时，1 1相相高电压，高电压，2 2相相低电压，低电压，电极电极1 1、3 3、5 5下形成下形成势阱势阱，可以存储信号电荷，可以存储信号电荷形成的形成的电荷包电荷包。图图 二相二相CCDCCD电荷转移原理图电荷转

42、移原理图3 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输二相二相CCDCCD如图所示如图所示t=tt=t2 2时时1 1 相相电压线性电压线性2 2 相相电压线性电压线性1 1、2 2下的下的势阱有相同势阱有相同的深度的深度，1 1下势阱中的信号电荷下势阱中的信号电荷准备向准备向2 2势阱扩散势阱扩散。图图 二相二相CCDCCD电荷转移原理图电荷转移原理图39393 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输二相二相CCDCCD如图所示如图所示t=tt=t3 3时时1 1相相低电压低电压2 2相相高电压高电压信号电荷已全部从信号电荷已全部从1 1下下势阱转移到势阱转移到2 2下的势阱中。下的

43、势阱中。图图 二相二相CCDCCD电荷转移原理图电荷转移原理图40403 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输二相二相CCDCCD的结构的结构重复上述类似过程，信号电，信号电荷将从荷将从2 2 下的势阱转移到下的势阱转移到下一个下一个1 1下的势阱中，即从下的势阱中，即从第第2 2、第、第4 4个势阱个势阱第第3 3、第、第5 5个势阱中。个势阱中。图图 二相二相CCDCCD电荷转移原理图电荷转移原理图t t4 441413 3 信号电荷的转移和传输信号电荷的转移和传输二相二相CCDCCD的结构的结构当当整个二相电压脉冲循环一整个二相电压脉冲循环一次次时，电荷包时，电荷包向右前进了一向

44、右前进了一位位；如此循环下去，信号电荷就如此循环下去，信号电荷就从左到右传输从左到右传输，最后到达输，最后到达输出端。出端。图图 二相二相CCDCCD电荷转移原理图电荷转移原理图t t4 4CCDCCD输出部分的任务：将输出部分的任务：将CCDCCD中信号电荷无破坏地收集和检中信号电荷无破坏地收集和检测出来。测出来。信号电荷的检测方式：电流输出方式和信号电荷的检测方式：电流输出方式和电压输出方式电压输出方式。举例：举例：浮置扩散放大器浮置扩散放大器电压输出方式为例作一介绍。电压输出方式为例作一介绍。4 4 信号电荷的检测信号电荷的检测 如图所示，为浮置扩散放大器输出结构简图，它主要由如图所示，

45、为浮置扩散放大器输出结构简图，它主要由CCDCCD末端末端的的输出栅输出栅OGOG、输出二极管输出二极管、以及集成在同一芯片上的、以及集成在同一芯片上的复位场效应管T1、放大场效应管T2 组成，组成，C C是是A A点的等效电容点的等效电容，由，由A A处结电容、寄处结电容、寄生电容生电容,T,T2 2极间电容构成。极间电容构成。4 4 信号电荷的检测信号电荷的检测举例：举例：浮置扩散放大器浮置扩散放大器电压输出方式电压输出方式 当信号电荷形成的电荷包经当信号电荷形成的电荷包经CCDCCD传输到输出端时，通过传输到输出端时，通过输出栅输出栅OGOG转移转移输出二极管的N型区域(又称为又称为浮置

46、扩散层)，放大场效应管，放大场效应管T T2 2的的栅极信号电压栅极信号电压由浮置扩散层收集到的信号由浮置扩散层收集到的信号电荷电荷Q Q提供，其放大的提供，其放大的输输出信号电压随信号电荷变化出信号电压随信号电荷变化(Vout=F(Q)(Vout=F(Q)。当信号电压读出后，复位。当信号电压读出后，复位管管T T1 1栅极上加上栅极上加上复位脉冲复位脉冲R R，V VRD RD 是其漏极直流偏压是其漏极直流偏压,此时此时T T1 1管导通管导通，将信号电荷抽走将信号电荷抽走，浮置扩散层，浮置扩散层复位复位，以便接受下一个电荷包的到来。，以便接受下一个电荷包的到来。4 4 信号电荷的检测信号电

47、荷的检测举例：举例：浮置扩散放大器浮置扩散放大器电压输出方式电压输出方式4545光电位置敏感器件（PSD）光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。特点：特点：它对光斑的形状无严格要求,即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关；光敏面无需分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率很高，一维可以达到0.2um；可同时检测位置和光强。4646P P层层i i层层0 0A Ax xA AI I1 1I I2 2I I0 0N N层层L LL L入入射射光光1、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理依图中所示，电流I0、I1、I2、入射光位置xA和电极间距2L之间有如下关系：其中，P型层电阻是均匀的。一维PSD器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位置移动量。2.二维PSD器件 如图3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极，分别标注为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示 为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的PSD光敏面如图3-37所示图形，四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少。