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.docx

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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

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,第一相时钟φ1处于高电压,φ2、φ3处于低压.这时第一组电极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,在第一组电极下的势阱变浅,而第二组（2、5、8……）电极下形成深势阱,信息电荷从第一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.

CCD的工作原理

电荷耦合器件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者电压为信号。

所以ＣＣＤ的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。

它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。

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。

电荷的注入

在ＣＣＤ中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类。

１:

光注入

当光照射到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。

ＣＣＤ摄象器件的光敏单元为光注入方式。

光注入电荷QIP=ηq△neoATC式中：

η为材料的量子效率：

q为电子电荷量；△neo为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积；TC为光注入时间。

 ----由此式可以看出，当CCD确定以后，η.q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷QIP与入射光的光子流速

△neo及注入时间TC成正比。

注入时间TC由CCD驱动器的转移脉冲的周期TSH决定，当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率△neo成正比。

正常情况下。

光注入的电荷量与入射的谱辐量度在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与

入射的光谱辐通量的关系为△neλ=φeλ/hv，h,v,λ均为常数。

因此在这种φeλ成线形关系。

该线形关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。

2:

电注入

所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行电压流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。

电注入的方法很多，一般常用的是电流注入法和电压注入法，这里就不详细描述了。

2\电荷的存储

构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）结构如图I（a）所示，在栅极G施加正偏压UO之前，P型半导体中空穴（多数载流子）分布是均匀的。

当栅极施加正偏压UG（此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图I（b）所示。

偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。

当UG>Uth时,半导体与绝缘体截面上的电势（常称为表面势,用ΦS表示）变得如此之高,以至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102um）但电荷浓度很高的反型层,如图I（c）.

反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能.然而,当栅极电压由零变到高于阈值电压时,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,栅极的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.当提供足够的少数载流子时,表面势可降低到半导体材料费密能级ΦP的两倍.

例如,对于掺杂为1015CM3的P型半导体,费密能级为0.3V.耗尽区收缩到最小时,表面势ΦS下降到最底值0.6V,其余电压降在氧化层上.

表面势ΦS随反型电荷浓度QINV,栅极电压UG的变化表示在图II和图III中。

表面势ΦS与栅极电压UG的关系曲线.图III为栅极电压不变的情况下,表面势ΦS与反型层电荷密度的关系曲线.曲线的直线性好,说明表面势ΦS与反型层电荷浓度QVIN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”概念描述.电子所以被加有栅极电压UG的MOS结构吸引到氧化层与半导体的交界处,是因为那里的势能最低.在设有反型层电荷时,势阱的”深度”与栅极电压UG的关系恰如ΦS与UG的线性关系,如图IV（a）空势阱的情况.图IV（b）为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势ΦS与反型层电荷填充量QP间的关系如图所示。

当反型层电荷足够多时，使势阱被填满时，ΦS降到2ΦF，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UG氧化层的厚度dox有关，即与MOS电容容量cox与UG的乘积有关，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。

Q=CoxUG*A

电荷的藕合

（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V三相CCD中电荷的转移过程

为了理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置，可观察图VCCD中四个彼此靠得很近的电极。

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V（a）为零（初始时刻）。

经过t1时刻后，各电极上的电压为如图V（b）所示，第一个电极仍保持为10V，第二个电极上的电压由2V变到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阱所共有，如图V（b）和图V（C）。

若此后仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图V（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，每一组成为一相，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V所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图V（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向另一个电极转移，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3um。

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，1um的间隙长度是足够小的。

以电子为信号电荷的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的工作频率高很多。