ccd的工作原理及其光譜特性

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1、CCD的工作原理及其光譜特性?????1??CCD的基本工作原理????CCD（ChargedCoupled????Device，電荷耦合器件）是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)[1]。以下將分別從這幾個(gè)方面討論CCD器件的基本工作原理。????1.1MOS電容器????CCD是一種固態(tài)檢測(cè)器，由多個(gè)光敏像元組成，其中每一個(gè)光敏像元就是一個(gè)MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器。但工作原理與MOS晶體管不同。????CCD中的MOS電容器的形成方法是這

2、樣的[2]：在P型或N型單晶硅的襯底上用氧化的辦法生成一層厚度約為100～150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電極，在襯底和電極間加上一個(gè)偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個(gè)MOS電容器（見圖3—1）。????????圖3－1??MOS電容器柵極電壓變化對(duì)耗盡層的影響????CCD一般是以P型硅為襯底，在這種P型硅襯底中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。在電極施加?xùn)艠O電壓VG之前，空穴的分布是均勻的，當(dāng)電極相對(duì)于襯底施加正柵壓VG時(shí)，在電極下的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，當(dāng)柵壓繼續(xù)增加，耗盡層將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸，這一耗盡層對(duì)于帶負(fù)電荷

3、的電子而言是一個(gè)勢(shì)能特別低的區(qū)域，因此也叫做“勢(shì)阱”。????在耗盡狀態(tài)時(shí)，耗盡區(qū)電子和空穴濃度與受主濃度相比是可以忽略不計(jì)的，但如正柵壓VG進(jìn)一步增加，界面上的電子濃度將隨著表面勢(shì)成指數(shù)地增長(zhǎng)，而表面勢(shì)又是隨耗盡層寬度成平方率增加的。這樣隨著表面電勢(shì)的進(jìn)一步增加，在界面上的電子層形成反型層。而一旦出現(xiàn)反型層，MOS就認(rèn)為處于反型狀態(tài)（如圖3—1所示）。顯然，反型層中電子的增加和因柵壓的增加的正電荷相平衡，因此耗盡層的寬度幾乎不變。反型層的電子來自耗盡層的電子—空穴對(duì)的熱產(chǎn)生過程。對(duì)于經(jīng)過很好處理的半導(dǎo)體材料，這種產(chǎn)生過程是非常緩慢的。因此在加有直流電壓的金屬板上疊加小的交流

4、信號(hào)時(shí)，反型層中電子數(shù)目不會(huì)因疊有交流信號(hào)而變化。????1.2電荷存儲(chǔ)????當(dāng)一束光投射到MOS電容器上時(shí)，光子透過金屬電極和氧化層，進(jìn)入Si襯底，襯底每吸收一個(gè)光子，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì)，其中的電子被吸引到電荷反型區(qū)存儲(chǔ)。從而表明了CCD存儲(chǔ)電荷的功能。一個(gè)CCD檢測(cè)像元的電荷存儲(chǔ)容量決定于反型區(qū)的大小，而反型區(qū)的大小又取決于電極的大小、柵極電壓、絕緣層的材料和厚度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性和厚度等一些因素。????????QS(×10–8C/cm2)????????圖3—2??給定CCD參數(shù)時(shí)表面勢(shì)VS與電荷QS的關(guān)系????圖3—2表示了Si-SiO2的表面電勢(shì)VS與

5、存儲(chǔ)電荷QS的關(guān)系。曲線的直線性好，說明兩者之間有良好的反比例線性關(guān)系，這種線性關(guān)系很容易用半導(dǎo)體物理中“勢(shì)阱”的概念來描述。電子所以被加有柵極電壓VG的MOS結(jié)構(gòu)吸引到Si-SiO2的交接面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。在沒有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”與電極電壓的關(guān)系恰如表面勢(shì)VS與電荷QS的線性關(guān)系，如圖3—3(a)所示。圖3—3(b)為反型層電荷填充勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮。當(dāng)反型層電荷足夠多，使勢(shì)阱被填滿時(shí)，如圖3—3?所示，此時(shí)????????　????????????表面勢(shì)下降到不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。UG=5VUG=10VUG=15V040812??

6、??????????16(a)空勢(shì)阱??(b)填充1/3的勢(shì)阱???全滿勢(shì)阱????????????圖3—3??勢(shì)阱????1.3電荷轉(zhuǎn)移????為了便于理解在CCD中勢(shì)阱電荷如何從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置，取CCD中四個(gè)彼此靠得很近的電極來觀察，見圖3—4。圖3—4??三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程????假定開始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為10V的第二個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極上均加有大于域值電壓的較低電壓（例如2V）。設(shè)圖3—4（a）為零時(shí)刻（初始時(shí)刻），過t1時(shí)刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D3—4（b）所示，第二個(gè)電極仍保持為10V，第三個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩

7、個(gè)電極靠得很緊（間隔只有幾微米），他們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來在第二個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下的勢(shì)阱所共有，如圖3—4（b）和3—4（c）所示。若此后電極上的電壓變?yōu)閳D3—4（d）所示，第二個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第三個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個(gè)電極下面的勢(shì)阱中，如圖3—4（e）。由此可見，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)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(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同