CCD工作原理
一個完整的CCD器件由光敏單元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時，在設定的積分時間內由光敏單元對光信號進行取樣,將光的強弱轉換為各光敏單元的電荷多少。取樣結束后各光敏元電荷由轉移柵轉移到移位寄存器的相應單元中.移位寄存器在驅動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉移到輸出端.將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設備中,就可對信號再現或進行存儲處理。由于CCD光敏元可做得很小（約10um)，所以它的圖象分辨率很高。
要了解CCD的原理,必須對半導體的基本知識有一些了解，可參見附錄。
一．CCD的MOS結構及存貯電荷原理
CCD的基本單元是MOS電容器,這種電容器能存貯電荷，其結構如圖1所示。以P型硅為例，在P型硅襯底上通過氧化在表面形成SiO2層,然后在SiO2 上淀積一層金屬為柵極，P型硅里的多數載流子是帶正電荷的空穴，少數載流子是帶負電荷的電子,當金屬電極上施加正電壓時，
其電場能夠透過SiO2絕緣層對這些載流子進行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠離電極處，剩下的帶負電的少數載流子在緊靠SiO2層形成負電荷層(耗盡層），電子一旦進入由于電場作用就不能復出,故又稱為電子勢阱。
當器件受到光照時（光可從各電極的縫隙間經過SiO2層射入,或經襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導體吸收，產生電子-空穴對，這時出現的電子被吸引存貯在勢阱中,這些電子是可以傳導的。光越強，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成電荷的數量，實現了光與電的轉換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態即使停止光照一定時間內也不會損失，這就實現了對光照的記憶.
總之,上述結構實質上是個微小的MOS電容，用它構成象素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強產生的電子電荷積累,潛影是各個象素留在各個電容里的電荷不等而形成的，若能設法把各個電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經過“顯影”就實現了圖象的傳遞。
二．電荷的轉移與傳輸
CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器，它的表面由不透光的鋁層覆蓋,以實現光屏蔽。由上面討論可知,MOS電容器上的電壓愈高,產生的勢阱愈深，當外加電壓一定，
勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小.利用這一特性，通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調節勢阱深淺。制造時將MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”。認為相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠小（目前工藝可做到0。2μm)，在信號電荷自感生電場的庫侖力推動下，就可使信號電荷由淺處流向深處，實現信號電荷轉移。
為了保證信號電荷按確定路線轉移，通常MOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為嚴格滿足相位要求的二相、三相或四相系統的時鐘脈沖。下面我們分別介紹三相和二相CCD結構及工作原理.
1。三相CCD傳輸原理
簡單的三相CCD結構如圖2所示。每一級也叫一個像元，有三個相鄰電極,每隔兩個電極的所有電極（如1、4、7……，2、5、8……，3、6、9……)都接在一起，由3個相位相差1200 的時鐘脈沖φ1、φ2、φ3來驅動,故稱三相CCD，圖2(a）為斷面圖；圖（b）為俯視圖；圖（d）給出了三相時鐘之間的變化.在時刻t1，第一相時鐘φ1處于高電壓，φ2、φ3處于低
壓。這時第一組電極1、4、7……下面形成深勢阱，在這些勢阱中可以貯存信號電荷形成“電荷包”,如圖（c）所示.在t2時刻φ1電壓線性減少，φ2為高電壓，在第一組電極下的勢阱變淺,而第二組(2、5、8……）電極下形成深勢阱，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉移，直到t3時刻,φ2為高壓,φ1、φ3為低壓，信息電荷全部轉移到第二組電極下面。重復上述類似過程，信息電荷可從φ2轉移到φ3，然后從φ3轉移到φ1電極下的勢阱中，當三相時鐘電壓循環一個時鐘周期時,電荷包向右轉移一級（一個像元），依次類推,信號電荷一直由電極1、2、3……N向右移，直到輸出.
2．二相CCD傳輸原理
CCD中的電荷定向轉移是靠勢阱的非對稱性實現的。在三相CCD 中是靠時鐘脈沖的時序控制，來形成非對稱勢阱。但采用不對稱的電極結構也可以引進不對稱勢勢阱，從而變成二相驅動的CCD.目前實用CCD中多采用二相結構.實現二相驅動的方案有:
階梯氧化層電極
階梯氧化層電極結構參見圖3。由圖可見,此結構中將一個電極分成二部分,其左邊部分電極下的氧化層比右邊的厚,則在同一電壓下，左邊電極下的位阱淺，自動起到了阻擋信號倒流的作用。
設置勢壘注入區（圖4)
對于給定的柵壓， 位阱深度是摻雜濃度的函數.摻雜濃度高,則位阱淺.采用離子注入技術使轉移電極前沿下襯底濃度高于別處，則該處位阱就較淺，任何電荷包都將只向位阱的后沿方向移動.
（a）結構示意 （b）驅動脈沖
圖3采用階梯氧化層電極形成的二相結構 圖4采用勢壘注入區形成二相結構
三．電荷讀出方法
CCD的信號電荷讀出方法有兩種：輸出二極管電流法和浮置柵MOS放大器電壓法.
圖5(a)是在線列陣未端襯底上擴散形成輸出二極管,當二極管加反向偏置時,在PN結區產生耗盡層。當信號電荷通過輸出柵OG轉移到二極管耗盡區時,將作為二極管的少數載流子而形成反向電流輸出.輸出電流的大小與信息電荷大小成正比,并通過負載電阻RL變為信號電壓U0輸出。
圖5(b）是一種浮置柵MOS放大器讀取信息電荷的方法.MOS放大器實際是一個源極跟隨器，其柵極由浮置擴散結收集到的信號電荷控制，所以源極輸出隨信號電荷變化。為了接收下一個“電荷包”的到來,必須將浮置柵的電壓恢復到初始狀態，故在MOS輸出管柵極上加一個MOS復位管。在復位管柵極上加復位脈沖φR,使復位管開啟,將信號電荷抽走,使浮置擴散結復位。
圖5(c)為輸出級原理電路,由于采用硅柵工藝制作浮置柵輸出管，可使柵極等效電容C很小.如果電荷包的電荷為Q,A點等效電容為C,輸出電壓為U0，A點的電位變化△U=－,因而可以得到比較大的輸出信號,起到放大器的作用，稱為浮置柵MOS放大器電壓法。
圖7為TCD 1206UD（注：這里的CCD型號與我們實驗中用的稍有不同,但原理都一樣）的結構示意圖，它為一雙通道二相驅動的線陣CCD器件，共有2160個光敏元。奇數光敏元與其中一列移位寄存器相連，偶數光敏元與另一列移位寄存器相連.移位寄存器的像元數量與光敏光相同，相鄰像元中的一個與光敏元相連，并接脈沖，另一個不直接與光敏元連接，接脈沖，如圖4所示。
圖8為各路脈沖的波形圖。
SH信號加在轉移柵上.當SH為高電平時，正值φ1為高電平。移位寄存器中的所有φ1電極下均形成深勢阱，同時SH的高電平使光敏元MOS電容存儲勢阱與φ1電極下的深勢阱溝通，光敏MOS電容中的信號電荷包迅速向上下兩列移位寄存器中與φ1連接的MOS電容轉移。SH為低電平時，光敏元與移位寄存器的連接中斷，此時光敏元在外界光照作用下產生與光照對應的電荷,而移位寄存器中的信號電荷在φ1φ2時鐘脈沖作用下由右向左轉移，在輸出端將上下兩列信號按原光敏元采集的順序合為一列后,由輸出端輸出.
由于結構上的安排，輸出電路首先輸出13個虛設單元的暗信號，再輸出51個暗信號,接著
輸出2160個有效信號,之后再輸出10個暗電流信號，接下去輸出兩個奇偶檢測信號，然后可輸出多余的暗電流信號。由于該器件為雙列并行傳輸的器件，所以在一個SH周期中至少要有1117個φ1 脈沖，即TSH＞1117T1。
φ2脈沖與φ1脈沖互為反相,即φ1高電平時φ2為低電平，φ1為低電平時φ2為高電平.
φR為復位信號,對于雙通道器件而言,它的周期是φ1φ2的一半，即在一個φ1φ2脈沖周期內有兩個φR脈沖,且φR的下降沿稍超前φ1φ2的變化前沿。
SP為像元同步脈沖，φC為行同步脈沖，用作CCD與其它信號存儲、處理設備連接時作同步信號。U0為輸出信號。
（1）(1） 圖8 各路脈沖波形圖
半導體的基本知識
一、什么是半導體？
在日常生活和生產實踐中，大家都知道，銀、銅、鋁、鐵等金屬材料是很容易導電的,叫做導體；而塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等卻很不容易導電，盡管加很高的電壓,仍然基本上沒有電流，通常稱為電的絕緣體。
半導體的導電性能則介于導體和絕緣體之間.
為什么會出現有的物質容易導電，有的物質不容易導電這種現象呢?根本原因在于事物內部的特性，在于物質內部原子與原子結合的方式以及原子本身的結構，看其內部運載電荷的粒子（叫做載流子)的多少和運動速度的快慢。
我們知道原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的，電子分幾層圍繞原子核作不停
的運動。比較起來,金屬材料的外層電子受原子核的束縛力最小，因此有大量電子能夠掙脫原子核的束縛而成為自由電子。這些自由電子就成為運載電荷的載流子，它們在外電場的作用下作定向運動而形成電流。所以金屬的導電性能良好。
絕緣材料中，原子的外層電子受原子核的束縛力很大,很不容易掙脫出來，因此形成自由電子的機會非常小.絕緣材料原子結構的這一特點決定了它的導電性能很差.
半導體材料的原子結構比較特殊，其外層電子既不象導體那樣容易掙脫，也不象絕緣體那樣束縛很緊，這就決定了它的導電特性介于導體和絕緣體之間。
二、半導體中的另一種載流子——空穴
在半導體中不僅有電子這樣的載流子，而且還有另一種載流子——空穴。那么什么叫空穴呢？
首先讓我們來看半導體材料硅和鍺的原子結構,如圖1所示。它們的特點是最外層的電子都是四個。通常，原子的外層電子叫做價電子，有幾個價電子就叫幾價元素，所以硅和鍺都是四價元素。
當硅、鍺等半導體材料制成單晶體時，其原子排列就由雜亂無章的狀態變成了非常整齊的狀態.其中，原子之間的距離都是相等的，約為2.35×104微米.每個原子最外層的四個電子，不僅受自身原子核的束縛，而且還與周圍相鄰的四個原子發生聯系。這時，每兩個相鄰的原子之間都共有一對電子.電子對中的任何一個電子，一方面圍繞自身原子核運動，另
一方面也時常出現在相鄰的原子所屬的軌道上，這樣的組合叫做共價鍵結構,如圖2(a)中所示.
