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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<
/p>
MOS
晶体管不同。
< br>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<
/p>
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，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
< br>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
< br>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。
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
“<
/p>
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
”
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<
/p>
“
溢出
”
现象<
/p>
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
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