1、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
2、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 UG 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 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 1-1(b)所示。偏压 UG 继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当 UGUth 时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用 S 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
3、能。但是，当栅极电压由零突变到高于阈值电压 Uth 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 S 随着反型层电荷浓度 QINV 和栅极电压 UG 的变化而变化，如果表面势 S 与反型电荷浓度 QINS 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 UG 的 MOS 结构吸引到氧化层与半导体的交界面处，是因为那
4、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UG 的关系恰如 S 与 UG 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， S 降到 2F。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。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(1-1)UCQGOX(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
5、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
6、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 电极向 电极转移 (c) 电荷在 、 电极下均匀分布 1 2 1 2(d) 电荷继续由 电极向 电极转移 (e) 电荷完全转移到 电极 (f) 三相交叠脉冲 1 2 2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
7、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
8、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 3 。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽m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，1 的间隙长度是足够小的。m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 C
9、CD 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(1-2)CeoIPATnqQ式中， 为材料的量子效率；q 为电子电荷量； 为入射光的光子流速率；Aeon为光敏单元的受光面积；T C为光注
10、入时间。由上式可以看出，当 CCD 确定以后， 、q 以及 A 均为常数，注入到势阱中的信号电荷 QIP 与入射光子流速率 及注入时间 TC 成正比。注入时间 TCeon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 CCD 势阱中的信号电荷只与入射辐射光子流速率成正比。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eon系为 ，其中 h、v 为常数。因此在这种情况下，光注入的电荷量与入ve射的光谱辐量度 成线性关系。e1.2.2 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
11、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 2 电极）下的势阱后， 2 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 UD、电阻 R、衬底 p、和 n+区构成的反向偏置二极管相当于无限
12、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 ID，且 ID 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 ID 与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且(1-3)dtIQS由于 ID 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 ID，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 TR 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
13、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 和转移损失率 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(1-4)0(1)0(Qtt如果转移损失率定义为(1-5)0(t则转移效率与损失率的关系为(1
14、-6) 1理想情况下 应等于 1，但实际上电荷在转移中有所损失，所以 总是小于 1的。所以，提高转移效率 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 ，即 ,t在正常工作状态下，对于三相 CCD， 。fT31所以 (1-7)f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 ，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，3T将会使转移
15、效率大大下降。为此，要求 ，即t(1-8)tf1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
16、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：(1-9)ssss fnfTn/)i(/)i(式中： 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s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 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，sTn/使之幅度下降的结果。适当选择 0，使近 fs/2
17、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
18、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/lxs 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 6080dB。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。
