CCD的基本結構和工作原理
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。
的基本結構
構成CCD的基本單元是MOS（金屬—氧化物—半導體）結構。如圖2-7(a)所示，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1000?～1500?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。
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ΦS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10-2μｍ）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ΦF的兩倍。例如，對于摻雜為1015cm-3的p型半導體，費密能級為。耗盡區(qū)收縮到最小時，表面勢ΦS下降到最低值，其余電壓降在氧化層上。
表面勢ΦS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，對于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時，表面勢ΦS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ΦS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型硅雜質濃度NA＝1021cm－3，反型層電荷QINV＝0）
圖4 表面勢ΦS與反型層電荷密度QINV的關系
曲線的直線性好，說明表面勢ΦS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ΦS與UG的線性關系，如圖5(a)空勢阱的情況。圖5(b)為反型層電荷填充1/3勢阱時，表面勢收縮，表面勢ΦS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，ΦS降到2ΦF。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)
3.電荷耦合
圖6表示一個三相CCD中電荷轉移的過程。
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)部結構決定了使其正常工作所需要的相數(shù)。圖所示的結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移。
電極結構的一個關鍵問題是CCD電極間隙。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)阻礙電荷轉移的勢壘，間隙的長度應小于3μｍ。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，結果也會不同。但對絕大多數(shù)CCD，1μｍ的間隙長度是足夠小的。
4.電荷的注入和檢測
電荷的注入
1. 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：η為材料的量子效率；q為電子電荷量；Δneo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，η、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Δneo及注入時間TC成正比。注入時間TC由CCD驅動器的轉移脈沖的周期TSH決定。當所設計的驅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率Δneo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、ν、λ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Φeλ成線性關系。
2. 電注入
所謂電注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉換為信號電荷。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Φ2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Φ2為其漏極。當它
工作在飽和區(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；μ是載流子表面遷移率；COX為IG柵電容。
經(jīng)過TC時間注入后，Φ2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。
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Φ2同位相的選通脈沖，但其寬度小于Φ2的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第一個轉移柵Φ2下的勢阱里，直到勢阱的電位與n+區(qū)的電位相等時，注入電荷才停止。Φ2下勢阱中的電荷向下一級轉移之前，由于選通脈沖已經(jīng)終止，輸入柵下的勢壘開始把Φ2下和n+的勢阱分開，同時，留在IG下的電荷被擠到Φ2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。
電荷的檢測（輸出方式）
在CCD中，信號電荷在轉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、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。
1. 電流輸出
如圖9(a)所示，當信號電荷在轉移脈沖的驅動下向右轉移到末極電極（圖中Φ2電極）下的勢阱中后，Φ2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Φ2下的勢阱未形成之前，在RG端加復位脈沖ΦR，使復位管導通，把浮置擴散區(qū)剩余電荷抽走，復位到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ΔU，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
