線陣CCD
一、概述
電荷耦合器件(CCD, Charge Coupled Device)是一種以電荷包的形式存儲(chǔ)和傳遞信息的半導(dǎo)體器件，它是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W. S. Boyle和G.E. Smith在1970年前后發(fā)明的。它經(jīng)歷了以研究為主的發(fā)展階段，在五年左右的時(shí)間內(nèi)，建立了以一維空阱模型為基礎(chǔ)的CCD基本理論，這個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相符，并滿足了指導(dǎo)器件進(jìn)一步發(fā)展的需要。與此同時(shí)，依靠成熟的MOS集成電路工藝，CCD迅速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室走向了市場(chǎng)。CCD在影像傳感、信號(hào)處理和數(shù)字存儲(chǔ)等三大領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，充分顯示出它的巨大潛力，在微電子學(xué)技術(shù)中獨(dú)樹一幟。CCD已被普遍認(rèn)為是七十年代以來(lái)出現(xiàn)的最重要的半導(dǎo)體器件之一。
和同樣功能的電真空器件相比，CCD作為一種自掃描式光電接收器件，它有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此它 在科研、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事及消費(fèi)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用， 已經(jīng)成為圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的器件。信息時(shí)代離不開語(yǔ)言、文字、 圖像的實(shí)時(shí)獲取與交流。如果把多媒體、各種網(wǎng)絡(luò)
和信息高速公路作為一個(gè)整體， 那么CCD是它們的眼睛，是全球?qū)崟r(shí)信息技術(shù)的關(guān)鍵器件。
當(dāng)前我們的CCD生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)較弱，也缺乏一種完善的測(cè)試、評(píng)價(jià)CCD性 能的系統(tǒng)。而CCD的種類越來(lái)越多，應(yīng)用越來(lái)越廣，如何正確地選擇和使用CCD 是我們所要面對(duì)的問題。根據(jù)我們的調(diào)查，還沒有發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)關(guān)于如何測(cè)試和評(píng)價(jià) CCD性能方面的研究結(jié)果。
二、發(fā)展?fàn)顩r
CCD圖像傳感器經(jīng)過30多年的發(fā)展目前己經(jīng)成熟。從最初簡(jiǎn)單的8像元移位寄存器發(fā)展至今，己經(jīng)具有數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)千萬(wàn)像元。CCD技術(shù)及相關(guān)的測(cè)試技術(shù)也有了巨大的改進(jìn)。
最早出現(xiàn)的CCD為表面溝道型。該表面構(gòu)造可在Si-SiO2界面附近產(chǎn)生阻礙電荷運(yùn)輸?shù)摹跋葳濉保瑥亩档土穗姾蓚鬏斝省楸苊獗砻妗跋葳濉毙?yīng)，表面溝道型結(jié)構(gòu)改進(jìn)為埋道型結(jié)構(gòu),即用離子摻雜的方式在SiO2層下加入N型薄層。據(jù)此提高了電荷傳輸效率，提升了對(duì)應(yīng)工作頻率以及消除了由于電荷傳輸與表面態(tài)“陷阱”間互相作用而產(chǎn)生的噪聲。從而提高了CCD的光響應(yīng)線性度、降低了器件噪聲。
埋道型CCD的最大電荷貯存量較小。在CCD陣列中，當(dāng)單個(gè)CCD像元檢測(cè)容量達(dá)到飽和后,額外的電荷將以所謂的電荷溢出過程向鄰近CCD像元溢出，從而干擾了鄰近像元的信號(hào)。為減輕單個(gè)CCD像元電荷溢出，一般采用了抗溢出結(jié)構(gòu)，如采用抗溢出溝道設(shè)計(jì)，使溢出電子流入邊槽而不溢入其他像元。
一般CCD在紫外區(qū)的量子效率較低。這是由于CCD表面多晶硅電極吸收了紫外光所致，目前已采用了三種增加光譜響應(yīng)度的辦法:一是將整個(gè)CCD器件減薄到約10um厚，并從背面照射器件以便使入射輻射不通過器件前面的疊置柵結(jié)構(gòu)。二是用熒光材料對(duì)器件表面進(jìn)行涂敷，使短波段的光子被涂層中熒光物質(zhì)吸收后在可見光波段被重新發(fā)射。三是采用有效的相位技術(shù)，用離子擴(kuò)散面代替多硅柵來(lái)維持所需勢(shì)阱。
目前已有許多技術(shù)用以降低CCD的讀出噪聲和提高讀出速度，如采用重新分級(jí)讀出模式。重新分級(jí)是在傳輸所有電荷之前將包含在檢測(cè)器中多路像素內(nèi)的電荷進(jìn)行整合的過程。檢測(cè)器象素中重新分級(jí)的電荷以單一讀出方式被檢測(cè)因而只有僅與一次讀出相關(guān)的噪聲。同時(shí)，也提高了讀出速度。另外，還利用了雙溝道設(shè)計(jì)使CCD兩邊同時(shí)讀出信號(hào)，提高了讀出速度。
三、線陣CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理
1、線陣CCD的基本結(jié)構(gòu)
CCD的特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓作為信號(hào)。CCD以電荷包的形式儲(chǔ)存和傳送信息，主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部份組成。CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面,并沿著界面?zhèn)鬏敚@種類型器件稱為表面溝道CCD，簡(jiǎn)稱SCCD(suarfeeChargeCoPueldDveiee)；另一種是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿著一定方向傳輸,這類器件稱為溝道或埋溝道器件，簡(jiǎn)稱BCCD(BodyChargeCoupledDveiee)。下面以SCCD為例，介紹CCD的基本工作原理。
線陣CCD的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 典型線陣CCD器件結(jié)構(gòu)
主體部分，即信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移部分，實(shí)際上是一串緊密排布的MOS電容器，它的作用是存儲(chǔ)信號(hào)電荷，并且使這些電荷在時(shí)鐘的作用下有規(guī)律地轉(zhuǎn)移。
輸入部分，包括一個(gè)輸入二極管和一個(gè)輸入柵，它的作用是將信號(hào)電荷引入到CCD的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中。
輸出部分，包括一個(gè)輸出二極管和一個(gè)輸出柵，它的作用在于將CCD最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中的信號(hào)電荷引出，并檢出電荷所攜帶的光信息。
2、線陣CCD的工作原理
2.1、光電轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)
線陣CCD是由許多光敏像元組成的，每個(gè)像元就是一個(gè)MOS電容器，如圖2所示。它是在P型Si襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000埃~1500埃的SiO2，再在表面鍍一層金屬，在襯底和金屬電極間施加偏置電壓，就構(gòu)成了一個(gè)MOS電容器。
當(dāng)光投射到MOS電容上時(shí)，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入P型Si襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶，如圖3所示。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷，形成電子一空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)的作用下，分別向電極兩端移動(dòng)，這就是光生電荷。這些光生電荷將儲(chǔ)存在由電極形成的“勢(shì)阱”中。
圖2 MOS電容器 圖3 電子能帶躍遷圖
2.2、電荷的轉(zhuǎn)移
CCD器件中存儲(chǔ)在勢(shì)阱中的電荷包，能隨柵極電壓的變化作定向移動(dòng)。當(dāng)相鄰電極的壓
差以及它們間的距離滿足一定的要求時(shí)，電荷就能順利地由淺勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到深勢(shì)阱。通常是將頻率、波形相同,并且彼此間相位保持固定關(guān)系的多相時(shí)鐘脈沖分組依次加在CCD的電極上，使電極上的電壓按一定的規(guī)律變化，在半導(dǎo)體表面形成一系列分布不對(duì)稱的勢(shì)阱，使得電荷包沿著勢(shì)阱的移動(dòng)方向作定向連續(xù)移動(dòng)，這就是所謂多相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)法。其中包括兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、三相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)等。圖4，示出了一個(gè)三相CCD中電荷自一個(gè)柵極下面轉(zhuǎn)移至相鄰柵極下面的過程。
圖4 三相CCD中電荷轉(zhuǎn)移過程
