半导体器件应用基础：半导体器件－光电器件(2).ppt

《半导体器件应用基础：半导体器件－光电器件(2).ppt》主要讲解了光电器件中的电荷耦合器件（Charge-coupled Device，简称CCD）及其在图像传感器中的应用。CCD作为一种重要的半导体器件，既可以用作图像传感器，也可以作为移位寄存器。在图像阵列系统中，例如照相机和摄像机，它能同时完成图像捕捉和信号传输的功能。 CCD的结构类似于移位寄存器，由栅、半透明金属、多晶硅和硅化物等组成，每个像素的尺寸小于10微米。根据材料的不同，如Si、HgCdTe、InSb，CCD可以有不同的应用特性。CCD的独特之处在于，它在光照下不会立即产生直流光电流，而是将光生载流子聚集形成电荷包，然后存储、传输和检测这些电荷包。CCD的工作原理基于MIS（Metal-Insulator-Semiconductor）电容，通过高栅脉冲在非平衡状态下操作。 当CCD曝光于光线时，光生电子会被聚集在势阱中，形成一个内部量子效率接近100%的区域。电荷包的大小受到最大电荷密度的限制，通常约为10^11/cm²。因此，一个10微米²的CCD可以存储10^5个载流子，最小可探测信号约20个载流子，从而获得较大的动态范围（约10^4）。 暗电流是影响CCD性能的一个重要因素，尤其是在长时间曝光或检测微弱信号时。为了延长积分时间并降低暗电流的影响，有时需要对设备进行冷却。在曝光结束后，电荷通过CCD移位寄存器转移到放大器，实现信号的读出。 CCD的电荷转移机制主要包括热扩散、自感应漂移和边缘场效应。在不同的电荷量和频率条件下，这些机制起着不同程度的作用。时钟信号的频率受到电荷转移完成时间、热驰豫时间和信号频率的限制，过高或过低的频率都会影响CCD的性能。 此外，文档还提到了CMOS图像传感器，虽然在早期CCD在消费级成像产品中占据主导地位，但自上世纪90年代末，CMOS图像传感器因其集成度高、功耗低和成本优势逐渐成为市场的主流。 本文件主要涵盖了CCD的工作原理、结构、性能特点以及与CMOS图像传感器的对比，深入解析了光电器件在半导体领域的关键作用。