固态图像传感器(CCD)的电荷是如何产生、存储、转移及输出的?
正确答案:(1)电荷的产生、存储:构成CCD的基本单元是MOS电容器,结构中半导体以P型硅为例,金属电极和硅衬底是电容器两极,SiO2为介质。在金属电极(栅极)上加正向电压G时,由此形成的电场穿过SiO2薄层,吸引硅中的电子在Si―SiO2的界面上,而排斥Si-SiO2界面附近的空穴,因此形成一个表面带负电荷,而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时,Si-SiO2界面处的电势(称表面势S)发生相应变化,若取硅衬底内的电位为零,表面势S的正值方向朝下,当金属电极上所加的电压G超过MOS晶体上开启电压时,Si-SiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低,可以形象地说,半导体表面形成了电子势阱,习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。当光信号照射到CCD硅片表面时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子—空穴对。这时在栅极电压G的作用下,其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中,形成信号电荷存储起来。如果G持续时间不长,则在各个MOS电容器的势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此,某MOS电容器势阱中蓄积的电荷量,可作为该点光强的度量。
(2)电荷包的转移:若MOS电容器之间排列足够紧密(通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm),使相邻MOS电容的势阱相互沟通,即相互耦合,那么就可使信号电荷(电子)在各个势阱中转移,并力图向表面势S最大的位置堆积。因此,在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G,就可改变它们对应的MOS的表面势S,亦即可改变势阱的深度,从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。
(3)电荷的输出:在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管,二极管加反压,在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区,作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比,通过负载变为电压输出。
(2)电荷包的转移:若MOS电容器之间排列足够紧密(通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm),使相邻MOS电容的势阱相互沟通,即相互耦合,那么就可使信号电荷(电子)在各个势阱中转移,并力图向表面势S最大的位置堆积。因此,在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G,就可改变它们对应的MOS的表面势S,亦即可改变势阱的深度,从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。
(3)电荷的输出:在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管,二极管加反压,在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区,作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比,通过负载变为电压输出。
答案解析:有
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