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電荷耦合器件

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電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)是一種用於探測光的硅片,由時鐘脈衝電壓來產生和控制半導體勢阱的變化,實現存儲和傳遞電荷信息的固態電子器件
電荷耦合器件由美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯於1969年發明,它由一組規則排列的金屬-氧化物-半導體( 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表示不同狀態的動態移位寄存器,比傳統的底片更能敏感的探測到光的變化。
中文名
電荷耦合器件
外文名
charge-coupled device
簡    稱
CCD
領    域
電子

目錄

電荷耦合器件簡介

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傳統的固態電子器件,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對信息的表達 ,具有更高的靈敏度。固體成像 、信息處理和大容量存儲器是CCD的三大主要用途。各種線陣、面陣傳感器已成功地用於天文遙感、傳真、攝像等領域。CCD信號處理兼有數字和模擬兩種信號處理技術的長處,在中等精度的雷達和通信系統中得到廣泛的應用 。CCD還可用作大容量串行存儲器,其存取時間、系統容量和製造成本都介於半導體存儲器和磁盤、磁鼓存儲器之間。

電荷耦合器件原理

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1969年,美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯在探索磁泡器件的電模擬過程中,產生了電荷耦合器件的原理設想,並在實驗中得到驗證。他們提出,緊密排列在半導體絕緣表面上的電容器,可用來儲存和轉移電荷。初期的CCD存儲和轉移信號電荷的勢阱都位於硅-二氧化硅界面處,即所謂表面溝道CCD。1972年D.康首先設想了多數載流子CCD形式,在此基礎上人們研製出體溝道CCD和“蠕動”型CCD的新結構,有效地改善了CCD的性能。1973年美國仙童公司製成CCD攝像傳感器,CCD遂從實驗室進入工業生產的實用階段。
CCD的雛形是在N型或 P型硅襯底上生長一層二氧化硅薄層,再在二氧化硅層上澱積並光刻腐蝕出金屬電極,這些規則排列的金屬-氧化物-半導體電容器陣列和適當的輸入、輸出電路就構成基本的 CCD移位寄存器。對金屬柵電極施加時鐘脈衝,在對應柵電極下的半導體內就形成可儲存少數載流子的勢阱。可用光注入或電注入的方法將信號電荷輸入勢阱。然後週期性地改變時鐘脈衝相位和幅度,勢阱深度則隨時間相應地變化,從而使注入的信號電荷在半導體內作定向傳輸。CCD 輸出是通過反相偏置PN結收集電荷,然後放大、復位,以離散信號輸出。
電荷轉移效率是 CCD最重要的性能參數之一,用每次轉移時被轉移的電荷量和總電荷量的百分比表示。轉移效率限制了CCD的最大轉移級數。
體溝道CCD的電荷轉移機理和表面溝道CCD略有不同。體溝道CCD又稱為埋溝CCD。所謂體溝道即用來存儲和轉移信號電荷的溝道是在離開半導體表面有一定距離的體內形成。體溝道 CCD的時鐘頻率可高達幾百兆赫,而通常的表面溝道CCD只幾兆赫。
固體成像、信號處理和大容量存儲器是 CCD的三大主要用途。各種線陣、面陣像感器已成功地用於天文、遙感、傳真、卡片閲讀、光測試和電視攝像等領域,微光CCD和紅外CCD在航遙空感、熱成像等軍事應用中顯示出很大的作用。CCD 信號處理兼有數字和模擬兩種信號處理技術的長處,在中等精度的雷達和通信系統中得到廣泛應用。

電荷耦合器件國內情況

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中國於1975年研製出32位 CCD移位寄存器。中國的CCD研製工作主要集中於 CCD成像和信號處理。CCD攝像器在航空攝像、遙控、工業自動化等部門已獲應用。CCD模擬延遲線和抽頭延遲線在雷達和通信設備更新中發揮了重要作用。