CCD工作原理
一個完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)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(shè)定的積分時間內(nèi)由光敏單元對光信號進行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少。取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)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(shè)備中，就可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理。由于CCD光敏元可做得很?。s10um），所以它的圖象分辨率很高。
要了解CCD的原理，必須對半導(dǎo)體的基本知識有一些了解，可參見附錄。
一．CCD的MOS結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)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(fù)電的少數(shù)載流子在緊靠SiO2層形成負(fù)電荷層（耗盡層），電子一旦進入由于電場作用就不能復(fù)出，故又稱為電子勢阱。
當(dāng)器件受到光照時（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，這時出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)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(shù)量，實現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)即使停止光照一定時間內(nèi)也不會損失，這就實現(xiàn)了對光照的記憶。
總之，上述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是個微小的MOS電容，用它構(gòu)成象素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強產(chǎn)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(shè)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(jīng)過“顯影”就實現(xiàn)了圖象的傳遞。
二．電荷的轉(zhuǎn)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(xiàn)光屏蔽。由上面討論可知，MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深，當(dāng)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(diào)節(jié)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(rèn)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(xiàn)信號電荷轉(zhuǎn)移。
為了保證信號電荷按確定路線轉(zhuǎn)移，通常MOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為嚴(yán)格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時鐘脈沖。下面我們分別介紹三相和二相CCD結(jié)構(gòu)及工作原理。
1.三相CCD傳輸原理
簡單的三相CCD結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhuǎn)移，直到t3時刻，φ2為高壓，φ1、φ3為低壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。重復(fù)上述類似過程，信息電荷可從φ2轉(zhuǎn)移到φ3，然后從φ3轉(zhuǎn)移到φ1電極下的勢阱中，當(dāng)三相時鐘電壓循環(huán)一個時鐘周期時，電荷包向右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移是靠勢阱的非對稱性實現(xiàn)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(jié)構(gòu)也可以引進不對稱勢勢阱,從而變成二相驅(qū)動的CCD.目前實用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu).實現(xiàn)二相驅(qū)動的方案有:
階梯氧化層電極
階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)參見圖3。由圖可見,此結(jié)構(gòu)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(shè)置勢壘注入?yún)^(qū)(圖4)
對于給定的柵壓, 位阱深度是摻雜濃度的函數(shù).摻雜濃度高,則位阱淺.采用離子注入技術(shù)使轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意 (b)驅(qū)動脈沖
圖3采用階梯氧化層電極形成的二相結(jié)構(gòu) 圖4采用勢壘注入?yún)^(qū)形成二相結(jié)構(gòu)
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(dāng)二極管加反向偏置時,在PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生耗盡層。當(dāng)信號電荷通過輸出柵OG轉(zhuǎn)移到二極管耗盡區(qū)時,將作為二極管的少數(shù)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(fù)載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷篣0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(jié)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(fù)到初始狀態(tài),故在MOS輸出管柵極上加一個MOS復(fù)位管。在復(fù)位管柵極上加復(fù)位脈沖φR,使復(fù)位管開啟,將信號電荷抽走,使浮置擴散結(jié)復(fù)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(jié)構(gòu)示意圖，它為一雙通道二相驅(qū)動的線陣CCD器件，共有2160個光敏元。奇數(shù)光敏元與其中一列移位寄存器相連，偶數(shù)光敏元與另一列移位寄存器相連。移位寄存器的像元數(shù)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(zhuǎn)移柵上。當(dāng)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(zhuǎn)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(chǎn)生與光照對應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上的安排，輸出電路首先輸出13個虛設(shè)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?shù)钠骷?，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(fù)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(nèi)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(shè)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(dǎo)體的基本知識
一、什么是半導(dǎo)體？
在日常生活和生產(chǎn)實踐中，大家都知道，銀、銅、鋁、鐵等金屬材料是很容易導(dǎo)電的，叫做導(dǎo)體；而塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等卻很不容易導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)電性能則介于導(dǎo)體和絕緣體之間。
為什么會出現(xiàn)有的物質(zhì)容易導(dǎo)電，有的物質(zhì)不容易導(dǎo)電這種現(xiàn)象呢？根本原因在于事物內(nèi)部的特性，在于物質(zhì)內(nèi)部原子與原子結(jié)合的方式以及原子本身的結(jié)構(gòu)，看其內(nèi)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(fù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的這一特點決定了它的導(dǎo)電性能很差。
半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)比較特殊，其外層電子既不象導(dǎo)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(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。
二、半導(dǎo)體中的另一種載流子——空穴
在半導(dǎo)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(dǎo)體材料硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)，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(dāng)硅、鍺等半導(dǎo)體材料制成單晶體時，其原子排列就由雜亂無章的狀態(tài)變成了非常整齊的狀態(tài)。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(fā)生聯(lián)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(xiàn)在相鄰的原子所屬的軌道上，這樣的組合叫做共價鍵結(jié)構(gòu)，如圖2(a)中所示。
