1   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办法生成一层厚度约为100～150nm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（见图3—1）。

图3－1    MOS电容器栅极电压变化对耗尽层的影响


  

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，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。

QS ( ×10 – 8C/cm2 )

图3—2     给定CCD参数时表面势VS与电荷QS的关系


  

图3—2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{zd1}。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”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3—3(a)所示。图3—3(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3—3(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。

UG=5V

UG=10V

UG=15V

0

4

0

8



12



16

      
  

   (a)空势阱      (b)填充1/3的势阱     (c)全满势阱

  

   图3—3    势阱

  
  





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，见图3—4。

图3—4   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3—4（a）为零时刻（初始时刻），过t1时刻后，各电极上的电压变为如图3—4（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3—4（b）和3—4（c）所示。若此后电极上的电压变为图3—4（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3—4（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3—4所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图3—4（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3—4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
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。

2   CCD的光谱分析特性
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具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，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%。

图3—5   常用固态光谱检测器量子效率对比



  

2.2 量子效率（QE）[4]
图3—5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400～700nm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差别较大。如有的CCD只在350～900nm波段的QE达10% 以上，有的CCD在200～1000nm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1000Å。

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150°K的CCD暗电流小于0.001个电子╱检测元╱秒[5]。

2.4 动态范围
（3.1）


  

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7500Å的红光光子为例，CCD可在1毫秒积分时间内对光强达每秒5×109个光子的光束响应。可以对每秒7×10-2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

一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成.CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少.取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中.移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端.将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中,就可对信号再现或进行存储处理.由于CCD光敏元可做得很小(约10um),所以它的图象分辨率很高.

一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理
CCD的基本单元是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图1所示.以P型硅为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层,然后在SiO2 上淀积一层金属为栅极,P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴,少数载流子是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引.于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。

当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

CCD工作原理

总之,上述结构实质上是个微小的MOS电容,用它构成象素,既可“感光”又可留下“潜影”,感光作用是靠光强产生的电子电荷积累,潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的,若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端,再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递. 二．电荷的转移与传输 CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器,它的表面由不透光的铝层覆盖,以实现光屏蔽.由上面讨论可知,MOS电容器上的电压愈高,产生的势阱愈深,当外加电压一定,势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小.利用这一特性,通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅.制造时将MOS电容紧密排列,使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”.认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小(目前工艺可做到0.2μm),在信号电荷自感生电场的库仑力推动下,就可使信号电荷由浅处流向深处,实现信号电荷转移. 为了保证信号电荷按确定路线转移,通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲.下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理. 1.三相CCD传输原理 简单的三相CCD结构如图2所示.每一级也叫一个像元,有三个相邻电极,每隔两个电极的所有电极(如1、4、7……,2、5、8……,3、6、9……)都接在一起,由3个相位相差1200 的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动,故称三相CCD,图2(a)为断面图;图(b)为俯视图;图(d)给出了三相时钟之间的变化.在时刻t1,{dy}相时钟φ1处于高电压,φ2、φ3处于低压.这时{dy}组电极1、4、7……下面形成深势阱,在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”,如图(c)所示.在t2时刻φ1电压线性减少,φ2为高电压,在{dy}组电极下的势阱变浅,而第二组(2、5、8……)电极下形成深势阱,信息电荷从{dy}组电极下面向第二组转移,直到t3时刻,φ2为高压,φ1、φ3为低压,信息电荷全部转移到第二组电极下面.重复上述类似过程,信息电荷可从φ2转移到φ3,然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中,当三相时钟电压循环一个时钟周期时,电荷包向右转移一级(一个像元),依次类推,信号电荷一直由电极1、2、3……N向右移,直到输出.

2．二相CCD传输原理 CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD 中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非对称势阱.但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱,从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD中多采用二相结构.实现二相驱动的方案有: 阶梯氧化层电极 阶梯氧化层电极结构参见图3.由图可见,此结构中将一个电极分成二部分,其左边部分电极下的氧化层比右边的厚,则在同一电压下,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用. 设置势垒注入区(图4) 对于给定的栅压, 位阱深度是掺杂浓度的函数.掺杂浓度高,则位阱浅.采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处,则该处位阱就较浅,任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动.

三．电荷读出 CCD的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法.

图5(a)是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管,当二极管加反向偏置时,在PN结区产生耗尽层.当信号电荷通过输出栅OG转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出.输出电流的大小与信息电荷大小成正比,并通过负载电阻RL变为信号电压U0输出. 图5(b)是一种浮置栅MOS放大器读取信息电荷的方法.MOS放大器实际是一个源极跟随器,其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制,所以源极输出随信号电荷变化.为了接收下一个“电荷包”的到来,必须将浮置栅的电压恢复到初始状态,故在MOS输出管栅极上加一个MOS复位管.在复位管栅极上加复位脉冲φR,使复位管开启,将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位. 图5(c)为输出级原理电路,由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管,可使栅极等效电容C很小.如果电荷包的电荷为Q,A点等效电容为C,输出电压为U0,A点的电位变化△U=－,因而可以得到比较大的输出信号,起到放大器的作用,称为浮置栅MOS放大器电压法.