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CCD
的工作原理及其光谱特性
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
< br>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
S
iO2
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
< br>加上一个偏置电压（栅极电压）
，即形成了一个
MOS<
/p>
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
< br>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
V
G
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
CC
D
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。
< br>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?
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
?
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
。
< br>