CCD的基本工作原理

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1、CCD 的基本工作原理CCD 的基本工作原理CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的 MOS 电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测1。以下将分别从这几个方面讨论CCD 器件的基本工作原理。1.1 MOS 电容器 CCD 是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个 MOS（金属氧化物 半导体）电容器。但工作原理与 MOS 晶体管不同。CCD 中的 MOS 电容器的形成方法是这样的 2：在 P 型或 N 型单晶硅的衬底上用氧化的

2、办法生成一层厚度约为 100150nm 的 SiO2 绝缘层，再在 SiO2 表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压） ，即形成了一个MOS 电容器CCD 一般是以 P 型硅为衬底，在这种 P 型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压 VG 之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压 VG 时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。 在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，

3、但如正栅压 VG 进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。而一旦出现反型层，MOS 就认为处于反型状态（如图 3 1 所示） 。显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。反型层的电子来自耗尽层的电子空穴对的热产生过程。对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。因此在加有直流电压的金属板上叠加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。1.2 电荷存储 当一束光投射到 MOS 电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入

4、Si衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了 CCD 存储电荷的功能。一个 CCD 检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。图 32 表示了 Si-SiO2 的表面电势 VS 与存储电荷 QS 的关系。曲线的直线性好，说明两者之间有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压 VG 的 MOS 结构吸引到 Si-SiO2 的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度

5、”与电极电压的关系恰如表面势 VS 与电荷 QS 的线性关系，如图 33(a)所示。图 33(b)为反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，如图 33(c)所示，此时表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象1.3 电荷转移 为了便于理解在 CCD 中势阱电荷如何从一个位置移到另一个位置，取 CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察三相 CCD 中电荷的转移过程假定开始时有一些电荷存储在偏压为 10V 的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于域值电压的较低电压（例如 2V） 。设图 34（a ）为零时刻（初始时刻） ，过 t1 时刻后，各电极上的电

6、压变为如图 34（b ）所示，第二个电极仍保持为 10V，第三个电极上的电压由 2V 变到 10V，因这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米） ，他们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有，如图 34（b）和 34（c）所示。若此后电极上的电压变为图 34（d）所示，第二个电极电压由 10V 变为 2V，第三个电极电压仍为 10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图 34（e ） 。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 通过将一定规则变化的电压加到 CCD 各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把 CCD 电极分为

7、几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD 的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。图 34 所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图 34（f）所示，这样的 CCD 称为三相 CCD。三相 CCD 的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元的转移。另外必须强调指出的是，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。这对于图 34 所示的电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极转移。CCD 便不能在外部时钟脉冲的作用下正常工作。1.4电荷的注入和检测

8、CCD 中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。光注入就是当光照射 CCD 硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。而所谓电注入，就是 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。在此仅讨论与本课题有关的光注入法。CCD 利用光电转换功能将投射到 CCD 上面的光学图像转换为电信号“图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。当电磁辐

9、射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半导体吸收。所谓半导体光吸收，就是电子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。我们这里将要涉及到的是价带电子越过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子（或空穴）到导带（获价带）的跃迁。他们分别称为本征吸收和非本征吸收。CCD 利用处于表面深耗尽状态的一系列 MOS 电容器（称为感光单元或光敏单元）收集光产生的少数载流子。这些收集势阱是相互隔离的。由此可见，光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目与存储电荷的定量关系正

10、是 CCD 检测器用于对光信号作定量分析的依据。转移到 CCD 输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/ 电压（电流）的线性变换，称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。针对不同的使用要求，有几种常用的检测电路，如栅电容电荷积分器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。这里就不一一叙述了。CCD 的光谱分析特性与原理（转自：我心飞翔日志）2.1 电荷转移效率（CTE） CCD 以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。好的 CCD

11、具有极高的电荷转移效率，一般可达 0.9999953，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。例如，一个有 2048 像元的 CCD，其信号电荷的总的电荷转移效率为 0.9999952048，即 0.9898，损失率只有约 0.1%。常用固态光谱检测器量子效率对比2.2 量子效率（QE）4 图 35 比较了典型的 PMT（光电倍增管） 、PDA（光电二极管阵列） 、CID（电荷注入器件）和 CCD 的量子效率。可见，CCD 的量子效率大大优于 PDA和 CID，在 400700nm 波段优于 PMT。但是，不同厂商制造的 CCD 在几何尺寸、制造方法、材料上有所不同，结果它们的 QE 差别

12、较大。如有的 CCD 只在 350900nm 波段的 QE 达 10% 以上，有的 CCD 在 2001000nm 波段都有很高的量子效率。造成 QE 下降的主要原因是 CCD 结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产生光生电荷。许多线阵 CCD 对紫外光的响应较差就是这个原因。采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效率损失。背部照射减薄的 CCD 在真空紫外区的工作极限可达 1000。2.3 暗电流 CCD 在低温工作时，暗电流非常低，暗电流是由热生电荷载流子引起的，冷却会使热生电荷的生成速率大为降低3。但是 CCD 的冷却

13、温度不能太低，因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低。制冷到 150K 的 CCD暗电流小于 0.001 个电子检测元秒5。2.4 动态范围动态范围 DR 的定义为： 其中 VSAT 为饱和输出电压，VDRK 为有效像元的平均暗电流输出电压。在正常工作条件下，CCD 检测器的所有像元经历同时曝光，式（3.1）表示的是单个检测像元的动态范围，即简单动态范围。CCD 的简单动态范围非常大，宽达 10 个数量级。以 7500 的红光光子为例，CCD 可在 1 毫秒积分时间内对光强达每秒 5109 个光子的光束响应。可以对每秒 710-2 个光子的光源响应。而且在整个动态范围响应内，都能保持线性响应。这一特性对光谱的定量分析具有特别的意义。但在一些光谱分析中，如 AES（原子发射光谱）中，实际的动态范围达不到那么大的值。一种扩展 CCD 动态范围的方法是根据光的强弱改变每次测量的积分时间7 ，8。强信号采用短的积分时间，弱信号采用长的积分时间。这种方法测量强信号旁的弱信号非常不利，存在 Blooming（溢出）的问题，特别是对于 AES。通过改进 CCD 制作工艺生产出来的性能优秀的 CCD 已在不同程度上解决了这个问题。