ccd的工作原理及其光谱特性

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1、CCD的工作原理及其光谱特性     1  CCD的基本工作原理    CCD（ChargedCoupled    Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测[1]。以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。    1.1MOS电容器    CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。但工作原理与MOS晶体管不同。    CCD中的MOS电容器的形成方法是这

2、样的[2]：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器（见图3—1）。        图3－1  MOS电容器栅极电压变化对耗尽层的影响    CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷

3、的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。    在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态（如图3—1所示）。显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。因此在加有直流电压的金属板上叠加小的交流

4、信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。    1.2电荷存储    当一束光投射到MOS电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入Si衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了CCD存储电荷的功能。一个CCD检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。        QS(×10–8C/cm2)        图3—2  给定CCD参数时表面势VS与电荷QS的关系    图3—2表示了Si-SiO2的表面电势VS与

5、存储电荷QS的关系。曲线的直线性好，说明两者之间有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压VG的MOS结构吸引到Si-SiO2的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系恰如表面势VS与电荷QS的线性关系，如图3—3(a)所示。图3—3(b)为反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，如图3—3©所示，此时        　            表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。UG=5VUG=10VUG=15V040812  

6、          16(a)空势阱  (b)填充1/3的势阱  ©全满势阱            图3—3  势阱    1.3电荷转移    为了便于理解在CCD中势阱电荷如何从一个位置移到另一个位置，取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，见图3—4。图3—4  三相CCD中电荷的转移过程    假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于域值电压的较低电压（例如2V）。设图3—4（a）为零时刻（初始时刻），过t1时刻后，各电极上的电压变为如图3—4（b）所示，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变到10V，因这两

7、个电极靠得很紧（间隔只有几微米），他们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有，如图3—4（b）和3—4（c）所示。若此后电极上的电压变为图3—4（d）所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图3—4（e）。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。    通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同