CCD的基本結(jié)構和工作原理參考模板

1、CCD的基本結(jié)構和工作原理電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。CCD有兩種基本類型：一是電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道CCD（簡稱SCCD）；二是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱BCCD）。下面以SCCD為主討論CCD的基本工作原理。1.CCD的基本結(jié)構構成CCD的基本單元是MOS（金屬氧化物半導體）結(jié)構。如圖2-7(a)所示

2、，它是在p型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000Å1500Å的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個偏置電壓，就構成1個MOS電容器。當有1束光線投射到MOS電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入p型Si襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶。光子進入襯底時產(chǎn)生的電子躍遷形成電子空穴對，電子空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷存儲在由電極組成的“勢阱”中。如圖1所示。(a) (b)圖1 CCD的基本單元2.電荷存儲如圖2 (a)所示，在柵極G施加正偏壓UG之前，p型

3、半導體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當柵極施加正偏壓UG（此時UG小于p型半導體的閾值電壓Uth）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖2 (b)所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進一步向半導體體內(nèi)延伸。當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（常稱為表面勢，用S表示）變得如此之高，以致于將半導體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成一層極薄的（約10-2µ）電荷濃度很高的反型層，如圖2 (c)所示。反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構存儲電荷的功能。然而，當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，輕摻雜半導體中的少數(shù)載流子很少，不能立即建立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進一步

4、向體內(nèi)延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，表面勢下降，氧化層上的電壓增加。當提供足夠的少數(shù)載流子時，表面勢可降低到半導體材料費密能級F的兩倍。例如，對于摻雜為1015cm-3的p型半導體，費密能級為0.3V。耗盡區(qū)收縮到最小時，表面勢S下降到最低值0.6V，其余電壓降在氧化層上。1 / 11圖2 單個CCD柵極電壓變化對耗盡區(qū)的影響(a)柵極電壓為零；(b)柵極電壓小于閾值電壓；(c)柵極電壓大于閾值電壓表面勢S隨反型層電荷濃度QINV、柵極電壓UG的變化如圖3和圖4所示。圖3中的曲線表示的是在摻雜為1021cm-3的情況下，對

5、于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時，表面勢S與柵極電壓UG的關系曲線。圖4為柵極電壓不變的情況下，表面勢S與反型層電荷濃度QINV的關系曲線。圖3 表面勢與柵極電壓UG的關系（p型硅雜質(zhì)濃度NA1021cm3，反型層電荷QINV0）圖4 表面勢S與反型層電荷密度QINV的關系曲線的直線性好，說明表面勢S與反型層電荷濃度QINV有著良好的反比例線性關系。這種線性關系很容易用半導體物理中的“勢阱”概念描述。電子所以被加有柵極電壓UG的MOS結(jié)構吸引到氧化層與半導體的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG的關系恰如S與UG的線性關系，如圖5(a)空勢阱的

6、情況。圖5(b)為反型層電荷填充1/3勢阱時，表面勢收縮，表面勢S與反型層電荷濃度QINV間的關系如圖2-10所示。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，S降到2F。此時，表面勢不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。這樣，表面勢可作為勢阱深度的量度，而表面勢又與柵極電壓UG、氧化層的厚度dOX有關，即與MOS電容容量COX與UG的乘積有關。勢阱的橫截面積取決于柵極電極的面積A。MOS電容存儲信號電荷的容量 (1)圖5 勢阱(a)空勢阱；(b)填充1/3的勢阱；(c)全滿勢阱3.電荷耦合（a） （b） （c） （d） （e） （f）(d) )圖2-12 三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程(a) 初始

7、狀態(tài)；(b)電荷由電極向電極轉(zhuǎn)移；(c)電荷在、電極下均勻分布；(d)電荷繼續(xù)由電極向電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到電極；(f)三相交疊脈沖圖6表示一個三相CCD中電荷轉(zhuǎn)移的過程。假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第一個電極下面的深勢阱里，其他電極均加有大于閾值的較低電壓（例如2V）。設圖6(a)為零時刻（初始時刻）。經(jīng)過t1時刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D6(b)所示，第一個電極仍保持為10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因為這兩個電極靠得很緊（間隔只有幾微米），它們各自的對應勢阱將合并在一起，原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有，如圖6(b)和圖6(c)。若此后電

8、極上的電壓變?yōu)槿鐖D6(d)所示，第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下面的勢阱中，如圖6(e)。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。CCD的內(nèi)部結(jié)構決定了使其正常工作所需要的相數(shù)。圖所示的結(jié)構需要三相時鐘脈沖，其波形圖如圖6(f)所示，這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合（傳輸）方式必須在三相交疊脈沖的作用下，才能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。電極結(jié)構的一個關鍵問題是CCD電極

9、間隙。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個電極向另一個電極完全轉(zhuǎn)移，CCD便不能在外部脈沖作用下正常工作。能夠產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構、表面態(tài)密度等因素決定。理論計算和實驗證實，為了不使電極間隙下方界面處出現(xiàn)阻礙電荷轉(zhuǎn)移的勢壘，間隙的長度應小于3µ。這大致是同樣條件下半導體表面深耗盡區(qū)寬度的尺寸。如果氧化層厚度、表面態(tài)密度不同，結(jié)果也會不同。但對絕大多數(shù)CCD，1µ的間隙長度是足夠小的。4.電荷的注入和檢測4.1電荷的注入1. 光注入圖7 背面照射式光注入當硅照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子空

10、穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背面照射式。圖7所示為背面照射式光注入的示意圖。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷 (2)式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量；neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；TC為光注入時間。由式(2)可以看出，當CCD確定以后，、q及A均為常數(shù)，注入到勢阱中的信號電荷QIP與入射光的光子流速率neo及注入時間TC成正比。注入時間TC由CCD驅(qū)動器的轉(zhuǎn)移脈沖的周期TSH決定。當所設計的驅(qū)動器能夠保證其注入時間穩(wěn)定不變時，注入到CCD勢阱中的信號電荷只與入射輻射的光子流速

11、率neo成正比。在單色入射輻射時，入射光的光子流速率與入射光譜輻通量的關系為，h、均為常數(shù)。因此，在這種情況下，光注入的電荷量與入射的光譜輻亮度e成線性關系。2. 電注入所謂電注入就是CCD通過輸入結(jié)構對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。電注入的方法很多，這里僅介紹兩種常用的電流注入法和電壓注入法。1) 電流注入法如圖8(a)所示，由n+擴散區(qū)和p型襯底構成注入二極管。IG為CCD的輸入柵，其上加適當?shù)恼珘阂员３珠_啟并作為基準電壓。模擬輸入信號UIN加在輸入二級管ID上。當2為高電平時，可將n區(qū)（ID極）看作MOS晶體管的源極，IG為其柵極，而2為其漏極。當它工作在

12、飽和區(qū)時，輸入柵下溝道電流為 (2-6)式中：W為信號溝道寬度；LG為注入柵IG的長度；是載流子表面遷移率；COX為IG柵電容。經(jīng)過TC時間注入后，2下勢阱的信號電荷量 (2-7)可見這種注入方式的信號電荷QS不僅依賴于UIN和TC，而且與輸入二極管所加偏壓的大小有關。因此，QS與UIN的線性關系很差。圖8 電注入方式(a)電流注入法；(b)電壓注入法2) 電壓注入法如圖8(b)所示，電壓注入法與電流注入法類似，也是把信號加到源極擴散區(qū)上，所不同的是輸入IG電極上加有與2同位相的選通脈沖，但其寬度小于2的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第一個轉(zhuǎn)移柵2下的勢阱里，直到勢阱的電位與n+區(qū)的電

13、位相等時，注入電荷才停止。2下勢阱中的電荷向下一級轉(zhuǎn)移之前，由于選通脈沖已經(jīng)終止，輸入柵下的勢壘開始把2下和n+的勢阱分開，同時，留在IG下的電荷被擠到2和n+的勢阱中。由此而引起起伏，不僅產(chǎn)生輸入噪聲，而且使信號電荷Q與UID線形關系變壞。這種起伏，可以通過減小IG電極的面積來克服。另外，選通脈沖的截止速度減慢也能減小這種起伏。電壓注入法的電荷注入量Q與時鐘脈沖頻率無關。4.2電荷的檢測（輸出方式）在CCD中，信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能地減小時鐘脈沖容性地饋入輸出電路的程度。目前，CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮

14、置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。1. 電流輸出圖9 電荷輸出電路如圖9(a)所示，當信號電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下向右轉(zhuǎn)移到末極電極（圖中2電極）下的勢阱中后，2電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電荷將通過輸出柵（加有恒定的電壓）下的勢阱進入反向偏置的二極管（圖中n+區(qū)）。由UD、電阻R、襯底p和n+區(qū)構成的反向偏置二極管相當于無限深的勢阱。進入到反向偏置二極管中的電荷，將產(chǎn)生輸出電流ID，且ID的大小與注入到二極管中的信號電荷量成正比，而與電阻R成反比。電阻R是制作在CCD內(nèi)的電阻，阻值是常數(shù)。所以，輸出電流ID與注入到二極管中的電荷量成線性關系，且 (3)由于ID的存在，使得A點的

15、電位發(fā)生變化，ID增大，A點電位降低。所以可以用A點的電位來檢測二極管的輸出電流ID，用隔直電容將A點的電位變化取出，再通過放大器輸出。圖中的場效應管TR為復位管。它的主要作用是將一個獨處周期內(nèi)輸出二極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復位場效應輸出。因為在復位場效應管復位柵為正脈沖時復位場效應管導通，它的動態(tài)電阻遠遠小于偏置電阻R，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使A點的電位恢復到起始的高電平。2. 浮置擴散放大器輸出由圖9(b)所示，前置放大器與CCD同做在一個硅片上，T1為復位管，T2為放大管。復位管在2下的勢阱未形成之前，在RG端加復位脈沖R，使復位管導通，把浮置擴散區(qū)剩余電荷抽走，復位到

16、UDD。而當電荷到來時，復位管截止，由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制T2管柵極電位變化。設電位變化量為U，則有 (4)式中：CFD是與浮置擴散區(qū)有關的總電容。如圖10所示，總電容包括浮置二極管勢壘電容Cd和OG、DG與FD間的耦合電容C1、C2，及T管的輸入電容Cg，即 (5)經(jīng)放大器放大KV倍后，輸出的信號 (6)圖10 浮置擴散區(qū)FD的等效電容圖11 浮置柵放大器輸出的等效電容以上兩種輸出機構均為破壞性的一次性輸出。3. 浮置柵放大器輸出圖9(c)所示，T2的柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應出鏡像電荷，以

17、此來控制T2的柵極電位，以達到信號檢測與放大的目的。顯然，這種如圖2-17所示的機構可以實現(xiàn)電荷在轉(zhuǎn)移過程中進行非破壞性檢測，由轉(zhuǎn)移到2下的電荷所引起的浮置柵上電壓的變化為 (7)式中：為FG與2間氧化層電容。圖11繪出了浮置柵放大器的復位電路及有關電容分布情況。UFG可以通過MOS晶體管T2放大輸出。5.CCD的基本特性參數(shù)5.1光電轉(zhuǎn)換特性在CCD中，電荷包是由入射光子被硅襯底吸收產(chǎn)生的少數(shù)載流子形成的，因此，它具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子可達到99.7%。5.2轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD性能好壞的重要參數(shù)。一次轉(zhuǎn)移后到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷

18、之比稱為轉(zhuǎn)移效率。如在t0時，注入到某電極下的電荷為Q(0)；在時間t時，大多數(shù)電荷在電場作用下向下一個電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分電荷由于某種原因留在該電極下。若被留下來的電荷為Q(t)，則轉(zhuǎn)移效率為 (8)轉(zhuǎn)移損失率為 (9)理想情況下應等于1，但實際上電荷在轉(zhuǎn)移中有損失，所以總是小于1的（常為0.9999以上）。一個電荷為Q(0)的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后，所剩下的電荷 (10)n次轉(zhuǎn)移前后電荷量之間的關系為 (11)如果0.99，經(jīng)24次轉(zhuǎn)移后，而經(jīng)過192次轉(zhuǎn)移后，。由此可見，提高轉(zhuǎn)移效率是電荷耦合器件能否實用的關鍵。 影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要因素是界面態(tài)對電荷的俘獲。為此，常采用“胖零”工

19、作模式，即讓“零”信號也有一定的電荷。5.3工作頻率f1）工作頻率的下限為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對注入信號的干擾，注入電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所使用的時間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命，即 (12)在正常工作條件下，對于三相CCD (13)故 (14) 2）工作頻率的上限當工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所需要的時間t大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移的時間，那么，信號電荷跟不上驅(qū)動脈沖的變化，將會使轉(zhuǎn)移效率大大下降。為此，要求，即 (15)這就是電荷自身的轉(zhuǎn)移時間對驅(qū)動脈沖頻率上限的限制。由于電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子遷移率、電極長度、襯底雜質(zhì)濃度和溫度等因素有關，因此，對于相

20、同的結(jié)構設計，n溝CCD比p溝CCD的工作頻率高。5.4光譜響應 CCD接受光的方式有正面光照與背面光照兩種。由于CCD的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射的光譜靈敏度比背面照射時低，即使是透明的多晶硅電極也會因為電極的吸收以及在整個硅二氧化硅界面上的多次反射引起某些波長的光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)若干個明暗條紋，使光譜響應曲線出現(xiàn)若干個峰與谷，即發(fā)生起伏。為此，ICCD常采用背面照射的方法。背面光照方式比正面光照的光譜響應要好得多。采用硅襯底的ICCD的光譜響應范圍為0.31.1m，平均量子效率為25，絕對響應K為0.10.2(A/W)。 另外，讀出結(jié)構也可使量子效率再降低一半。

21、例如，在垂直隔列傳輸結(jié)構中，轉(zhuǎn)移溝道必須遮光，以免產(chǎn)生拖影，使量子效率降低。5.5噪聲和動態(tài)范圍 動態(tài)范圍反映了器件的工作范圍，它的數(shù)值可以用輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比表示。動態(tài)范圍由勢阱中可存儲的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比決定。由于CCD的噪聲不斷減小，動態(tài)范圍已超過1000。下面分別介紹可存儲的最大電荷量和噪聲。 1）勢阱中的最大信號電荷量CCD勢阱中可容納的最大信號電荷量取決于CCD的電極面積及器件結(jié)構（SCCD還是BCCD）、時鐘驅(qū)動方式及驅(qū)動脈沖電壓的幅度等因素。Q可近似用下式表示 (16)式中：COX是單位氧化膜面積的電容量；UG為柵極電壓；A為CCD電極的

22、有效面積。 2）噪聲在CCD中有以下幾種噪聲源：由于電荷注入器件引起的噪聲；電荷轉(zhuǎn)移過程中，電荷量的變化引起的噪聲；由檢測時產(chǎn)生的噪聲。CCD的平均噪聲值如表1所示，與CCD傳感器有關的噪聲如表2所示。 表1 CCD噪聲噪聲的種類噪聲電平（電子數(shù)）輸入噪聲轉(zhuǎn)移噪聲輸出噪聲400400總均方根載流子變化SCCDBCCD1150570 表2 與CCD傳感器有關的噪聲噪聲源大小代表值（均方根載流子）光子噪聲暗電流噪聲光學胖零噪聲 電子胖零噪聲 俘獲噪聲 輸出噪聲NSNDCNFZ400CIN參看表2-1400100，NS1041000，NS106 100，NDC1NSmax 300，NFZ10NSma

23、x 100，CIN0.1PF(NSmax106) 次轉(zhuǎn)移 200，Cout0.25pF(1) 光子噪聲由于光子發(fā)射是隨機過程，因而勢阱中收集的光電荷也是隨機的，這就成為噪聲源。由于這種噪聲源與CCD傳感器無關，而取決于光子的性質(zhì)，因而成為攝像器件的基本限制因素。這種噪聲主要對于低光強下的攝像有影響。(2) 暗電流噪聲與光子發(fā)射一樣，暗電流也是一個隨機過程，因而也成為噪聲源。而且，若每個CCD單元的暗電流不一樣，就會產(chǎn)生圖形噪聲。(3) 胖零噪聲包括光學胖零噪聲和電子胖零噪聲，光學胖零噪聲由使用時的偏置光的大小決定，電子胖零噪聲由電子注入胖零機構決定。(4) 俘獲噪聲在SCCD中起因于界面缺陷，

24、在BCCD中起因于體缺陷，但BCCD中俘獲噪聲小。(5) 輸出噪聲這種噪聲起因于輸出電路復位過程中產(chǎn)生的熱噪聲。該噪聲若換算成均方根值就可以與CCD的噪聲相比較。5.6暗電流暗電流是大多數(shù)攝像器件所共有的特性，是判斷一個攝像器件好壞的重要標準，尤其是暗電流在整個攝像區(qū)域不均勻時更是如此。產(chǎn)生暗電流的主要原因有：1）耗盡的硅襯底中電子自價帶至導帶的本征躍遷暗電流密度的大小由下式?jīng)Q定 (17)式中：q為電子電荷量；ni為載流子濃度；i為載流子壽命；d為耗盡區(qū)寬度。2）少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴散在p型材料中，每單位面積內(nèi)由于這種原因而產(chǎn)生的暗電流 (18)式中：NA為空穴濃度；Ln為擴散長度；為電子

25、遷移率；ni為本征載流子濃度。3）Si-SiO2界面引起的暗電流Si-SiO2界面引起的暗電流 (19)式中：S為界面態(tài)的俘獲截面；NSS為界面態(tài)密度。大多數(shù)情況下，以第三種原因產(chǎn)生的暗電流為主，而得到在室溫下低達5nAcm2的暗電流密度。但是，在許多器件中，有許多單元，每平方厘米可能有幾百毫微安的局部暗電流密度。這個暗電流的來源是一定的體內(nèi)雜質(zhì)，產(chǎn)生引起暗電流的能帶間復合中心。為了減少暗電流，應采用缺陷盡可能少的晶體和減少玷污。另外，暗電流還與溫度有關。溫度越高，熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子越多，因而，暗電流越大。據(jù)計算，溫度每降低10，暗電流可降低1/2。5.7分辨率分辨率是圖像傳感器的重要特性。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，CCD的極限分辨率是空間抽樣頻率的一半。因此，CCD的分辨率主要取決于CCD芯片的像素數(shù)，其次還受到轉(zhuǎn)移傳輸效率的影響。從頻譜分析的角度看，CCD攝像器件在垂直和水平兩方向都是離散取樣方式。根據(jù)