CCD结构与工作原理详解

（1）结构

CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属—氧化物—半导体）电容器，如图8-24a所示，是由MOS电容构成像素实现功能的。它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120nm的SiO₂，再在SiO₂表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。

（2）工作原理

构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其他电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压U_g时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱，如图8-24b所示。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子—空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。并且在一定的条件下，所加正电压U_g越大，耗尽层就越深，Si表面吸收少数载流子表面势（半导体表面对于衬底的电势差）也越大，这时势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。

图8-24 MOS电容器

a）MOS电容截面 b）势阱图

CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式：光信号注入和电信号注入。CCD用作固态图像传感器时，接收的是光信号，即光信号注入。图8-25a所示是背面光注入方法，如果用透明电极也可用正面光注入方法。当CCD器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子—空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，形成信号电荷，并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强，从而可以反映图像的明暗程度，实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。图8-25b所示是用输入二极管进行电注入，该二极管是在输入栅衬底上扩散形成的。当输入栅IG加上宽度为Δt的正脉冲时，输入二极管PN结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入Φ₁电极下的势阱中，注入电荷量Q=I_DΔt。

(www.xing528.com)

图8-25 电荷注入方法

a）背面光注入 b）电注入

CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层，并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求。下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压Φ₁、Φ₂、Φ₃，如图8-26b所示。控制电压Φ₁、Φ₂、Φ₃的波形如图8-26a所示。

图8-26 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系

a）三相时钟脉冲波形 b）电荷转移过程

当t=t₁时，Φ₁相处于高电平，Φ₂、Φ₃相处于低电平，在电极1、4下面出现势阱，存储了电荷。在t=t₂时，Φ₂相也处于高电平，电极2、5下面出现势阱。由于相邻电极之间的间隙很小，电极1、2及4、5下面的势阱互相耦合，使电极1、4下的电荷向电极2、5下面势阱转移。随着Φ₁电压下降，电极1、4下的势阱相应变浅。在t=t₃时，有更多的电荷转移到电极2、5下势阱内。在t=t₄时，只有Φ₂处于高电平，信号电荷全部转移到电极2、5下面的势阱内。随着控制脉冲的变化，信号电荷便从CCD的一端转移到终端，实现了电荷的耦合与转移。

图8-27所示是CCD输出端结构示意图。它实际上是在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载R_L上就形成脉冲电流I_o。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻R_L变为信号电压U_o输出。