CCD工作原理
CCD工作原理
电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，其工作过程中的主要问题是信号电荷产生存储传输和检测。CCD有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘层之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。下面我们以SCCD为例来说明CCD工作原理。
1.1 电荷的存储与耦合
1.1.1 电荷存储
CCD的基本构成单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。如图1-1(a)所示，在栅极施加正偏压U G之前，p型半导体中空穴多数载流子的分布是均匀的。当栅极施加正偏压U G（此时U G小于p型半导体的阈值电压U th）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图1-1(b)所示。偏压U G继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当U G>U th时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用ФS表示）变得如此之高，以致于将半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面形成一层极薄的（约10-2mm）但电荷浓度很高的反型层，如图1-1(c)所示。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。但是，当栅极电压由零突变到高于阈值电压U th时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上，如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。
表面势ФS随着反型层电荷浓度Q INV和栅极电压U G的变化而变化，如果表面势ФS与反型电荷浓度Q INS的对应曲线直线性好，说明这两者之间有着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的“势阱”概念来描述。电子所以被加有栅极电压U G的MOS结构吸引到氧化层与半导体的交界面处，
是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压U G 的关系恰如ФS 与U G 的线性关系，如图1-2(a)空势阱的情况。图1-2(b)为反型层
电荷填充1/3势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时， ФS 降到2ФF 。此时表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象这样表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压U G 、氧化层的厚度d OX 有关。势阱的横截面积取决于栅极电极的面积A 。MOS 电容存储信号电荷的容量
A U C Q G OX ?= (1-1)
(a) 栅极电压为零 (b) 栅极电压小于阈值电压 (c) 栅极电压大于阈值电压
图1-1 单个CCD 栅极电压变化对耗尽区的影响
(a) 空势阱 (b) 填充1/3的势阱 (c) 全满势阱
图1-2 势阱
1.1.2 电荷耦合
下面以图1-3为例，讲解CCD 中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置。如图1-3所示，图中为CCD 中四个彼此靠得很近得电极。假定开始时有一
些电荷存储在偏压为10V的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压（例如2V）。设图1-3(a)为零时刻（初始时刻）。经过t1时刻后各电极上的电压变为图2-3(b)所示，第一个电极仍保持为10V，第二个电极上的电压由2V变为10V，因为这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米），它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图1-3(b)和(c)所示。若此后电极上的电压变为图1-3(d)所示，第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图1-3(e)所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
(a) 初始状态(b) 电荷由○1电极向○2电极转移(c) 电荷在○1、○2电极下均匀分布
(d) 电荷继续由○1电极向○2电极转移(e) 电荷完全转移到○2电极(f) 三相交叠脉冲
图1-3 三相CCD中电荷的转移过程
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要的相数。图1-3 所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图1-3(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦合（传输）方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移。另外必须强调指出，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。这对图1-3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完全转移，CCD 便不能在外部脉冲作用下正常工作。
能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算和实验证实为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应小于3m μ。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然如果氧化层厚度、表面态密度不同结果也会不同。但对绝大多数CCD ，1m μ的间隙长度是足够小的。
以电子为信号的CCD 称为n 型沟道CCD ，简称为n 型CCD ；而以空穴为信号电荷的CCD 称为p 型沟道CCD ，简称为p 型CCD 。由于电子的迁移率单位场强下的运动速度远大于空穴的迁移率，因此n 型CCD 比p 型CCD 的工作频率高得多。
1.2 电荷的注入和检测
1.2.1 电荷的注入（输入方式）
CCD 的电荷注入方式可归纳为光注入和电注入两种。在炉内板带纠偏电视检测系统中，我们所使用的DMK3002-IR 面阵NICCD 是光注入方式。[21]
当光（包括红外光）照射到CCD 硅片上时，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。光注入方式又分为正面照射式和背面照射式两种。光注入电荷
C eo IP AT n q Q ?=η (1-2)
式中，η为材料的量子效率；q 为电子电荷量；eo n ?为入射光的光子流速率；A 为光敏单元的受光面积；T C 为光注入时间。
由上式可以看出，当CCD 确定以后，η、q 以及A 均为常数，注入到势阱中的信号电荷Q IP 与入射光子流速率eo n ?及注入时间T C 成正比。注入时间T C 由CCD 驱动器的转移脉冲的周期T SH 决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到CCD 势阱中的信号电荷只与入射辐射光子流速率eo n ?成
正比。在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射光谱辐通量的关系为hv
n e e λλΦ=?，其中h 、v 为常数。因此在这种情况下，光注入的电荷量与入射的光谱辐量度λe Φ成线性关系。
1.2.2 电荷的检测（输出方式）
在CCD 中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD 的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。因此，通过选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输出电路的程度。目前CCD 的输出主要方式有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。本系统采用的DMK3002-IR 面阵NICCD 其电荷检测为电流输出方式。
如图1-4所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极（图中Ф2电极）下的势阱后，Ф2电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过输出栅（加有恒定的电压）下的势阱进入反向偏置的二极管（图中n +区）。由U D 、电阻R 、衬底p 、和n +区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入到反向偏置的二极管中的电荷将产生输出电流I D ，且I D 的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比,而与电阻R 成反比。电阻R 是制作在CCD 内的电阻，阻值是常数。所以输出电流I D 与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且
dt I Q D S = (1-3)
由于I D 的存在，使得A 点的电位发生变化，I D 增大，A 点电位降低。所以可以用A 点的电位来检测二极管的输出电流I D ，用隔直电容将A 点的电位变化， 取出后再通过放大器输出。图1-4中的场效应管T R 为复位管。它的主要作用是将一个读出周期内输出二极管没有来得及输出的信号电荷通过复位场效应输出。因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位场效应管导通，它的动态电阻远远小于偏置电阻R ，使二极管中的剩余电荷被迅速抽走，使A 点的电位恢复到起始的高电平。
1.3 CCD 的特性参数
1.3.1 转移效率η和转移损失率ε
电荷转移效率是表征CCD 性能好坏的重要参数。转移效率定义为：一次转移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。如在t=0时,注入到某电极下的电荷为Q(0)；在时间t 时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q(t)，则转移效率为
)
0()(1)0()()0(Q t Q Q t Q Q -=-＝
η (1-4) 如果转移损失率定义为 )
0()(Q t Q ＝
ε (1-5) 则转移效率与损失率的关系为 εη－＝
1 (1-6) 理想情况下η应等于1，但实际上电荷在转移中有所损失，所以η总是小于1的。所以，提高转移效率η是电荷耦合器件能否使用的关键。
1.3.2 工作频率f
(1) 工作频率的下限
为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t 必须小于少数载流子的平均寿命τ，即τ 。 所以 τ 31>f (1-7) 可见，工作频率的下限与载流子的寿命有关。 (2) 工作频率的上限 当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间 t 大于驱动脉冲使其转移的时间 3 T ，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。为此，要求3T t ≤，即 t f 31≤ (1-8) 这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。 1.4 面阵CCD 摄像器件的特性 1.4.1 分辨率 CCD 摄像器件的每个光敏单元都是分开的。它属于空间上分立的光敏单元对光学图像进行抽样。假设要摄取的光学图像沿着水平方向的亮度分布为正弦条状图案，经CCD 的光敏单元进行转换后，得到以时间轴方向的正弦信号。根据奈奎斯抽样定理，CCD 的极限分辨率是空间抽样频率的一半。因此，CCD 的分辨率主要取决于CCD 芯片的像素数，其次还受到转移传输效率的影响。分辨率通常用电视线（TVL ）来表示。高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，但光敏单元尺寸的减少导致灵敏度的降低。所以必须采用一些新的工艺结构，例如双层结构，将光电转换层和电荷转移层分开，从而提高灵敏度和饱和信号的电荷量。 从频谱分析角度看，CCD 摄像器件在垂直和水平两个方向都是离散取样方式。根据奈奎斯抽样定理，CCD 输出信号的频谱如图1-4所示。取样后的信号频谱幅度如下： s s s s s s s s f n f n T n T n τπτπτπτπ/)sin(/)sin(= (1-9) 式中：s τ为取样脉冲宽度，即一个感光单元的宽度，T s 为取样周期，即一个像素的宽度（含两侧的不感光部分）。 图1-4 取样脉冲宽度对取样信号频谱的影响 当s s T n τ/=时，谱线包络达到第一零点，这也是孔径光阑限制了高频信号，使之幅度下降的结果。适当选择τ0，使近f s /2处的频谱幅度下降不多，但又使频 谱混叠（见图1-4中的阴影部分）部分减小。可见，在CCD中感光单元的宽度和像素宽度有个最佳比例，像素的尺寸和像素的密度以及像素的数量都是决定CCD分辨率的主要因素。 频谱混叠会引起低频干涉条纹，也称为混叠干扰。这对CCD摄像机拍摄像的水平清晰度又很大的影响。为了提高CCD的水平分辨率，可采用以下措施： (1)增加光敏单元数量，提高取样频率，减小频谱混叠部分； (2)采用前置滤波即采用光学低通滤波器降低CCD上光学图像的频带宽度，以减小频谱混叠。 1.4.2 灵敏度 灵敏度是面阵CCD摄像器件的重要参数。CCD摄像器件灵敏度与很多因素有关，计算和测试都比较复杂，单位是mA/W，物理意义：单位光功率所产生的信号电流。对于给定芯片尺寸的CCD来说，灵敏度单位可用mA/lx表示。有些文献也用mV/lx?s表示CCD的灵敏度，这是考虑了CCD的光积分效应。也可以称之为CCD的响应度，指单位曝光量CCD像元输出的信号电压。它反映了CCD 摄像器对可见光的灵敏度。 CCD的灵敏度还与以下因素有关： (1)开口率为感光单元面积与一个像素总面积之比，对灵敏度影响很大，开口率大小与CCD类型有关，FT式CCD开口率最大； (2)感光单元对电极形式和材料对进入CCD内的光量对CCD的灵敏度影响较大，例如多晶硅吸收蓝光，电极多和面积大都会影响光的透过率； (3)CCD内的噪声也影响灵敏度。 1.4.3 噪声和动态范围 CCD摄像器件的动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定。它反映了器件的工作范围。它的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比表示，一般为60～80dB。高分辨率要求CCD的像素数增多，但导致势阱可能存储的最大电荷量减少，因而动态范围变小。因此，在高分辨率条件下，提高器件的动态范围将是高清晰度电视摄像机的一项关键技术。 CCD噪声主要是半导体的热噪声，还有CCD芯片上的放大器噪声。