CCD結(jié)構(gòu)和工作原理

CCD每個(gè)像素是一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Metal-Oxidation-Semiconductor, MOS）單元，按制造方法大體上可分為：

l  表面溝道電荷耦合器件（SCCD – Surface-channel Charge-Coupled Device）

l  隱埋通道電荷耦合器件（BCCD – Buried Channel Charge-Coupled Device）

制造方法

表面溝道CCD制造方法：在P型或N型單晶硅襯底上，用氧化方法生成一層厚度約為100~150nm的SiO₂絕緣層，再在SiO₂表面上按一定層次鍍一層金屬Metal或多晶硅Polysilicon，并引出電極，稱為柵極Gate。襯底上也引出電極。柵極是分立的，氧化物和半導(dǎo)體是連續(xù)的。

隱埋通道CCD制造方法：只是在P-Si襯底和SiO2之間上增加了一層n-型區(qū)（~1μm）。

面陣CCD還要在每列像素之間加上溝阻，示意圖如下（注意，只是為了說(shuō)明，未按比例繪制）：

以上只是示意圖，為了便于說(shuō)明。實(shí)際的柵極電極形狀和水平移位寄存器的布局可能不同。下面是一種實(shí)際的形狀結(jié)構(gòu)：

表面溝道CCD工作原理：

1.         勢(shì)阱的形成

a.         在柵極和襯底之間加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的

b.         當(dāng)柵極施加較小正電壓U_G時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，柵極下P-Si中的空穴（多數(shù)載流子）在電場(chǎng)的作用下，向襯底移動(dòng)，金屬氧化層和P-Si界面下只留下不能移動(dòng)的帶負(fù)電原子，形成耗盡區(qū)。

c.         耗盡區(qū)對(duì)電子來(lái)說(shuō)，是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，若注入電子，電場(chǎng)則吸引它到電極下的耗盡區(qū)，由于絕緣層和電場(chǎng)的存在，注入的電子會(huì)被束縛在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電荷的儲(chǔ)存。這個(gè)區(qū)域就稱為勢(shì)阱。

d.         當(dāng)U_G大于某個(gè)閾值U_th時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度高到足以將半導(dǎo)體內(nèi)電子（少子）也吸引到SiO₂和P-Si界面附件，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層（溝道），即深度耗盡狀態(tài)。

當(dāng)U_G>0時(shí)，如有自由電子進(jìn)入勢(shì)阱，耗盡層高度和電勢(shì)隨電子數(shù)量的增加而減小，使電場(chǎng)變?nèi)酰瑒?shì)阱變淺，當(dāng)電子數(shù)量達(dá)到一定程度，電場(chǎng)不足以束縛電子，因此勢(shì)阱的電子容量是有限的，這個(gè)容量就是CCD的關(guān)鍵參數(shù)：像素滿井容量。

像素滿井容量（Full-Well Capacity）

對(duì)科學(xué)級(jí)相機(jī)，一般為數(shù)百個(gè)ke。

滿井容量與柵極電壓U_G、絕緣層電容C_ox、柵極面積A_d和P-Si摻雜濃度相關(guān)：Q=C_ox×U_G×A_d

Greateyes內(nèi)真空相機(jī) GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素滿井容量為500ke。滿井容量高，則動(dòng)態(tài)范圍大。

1.         電子的產(chǎn)生

l  光子進(jìn)入襯底時(shí)，會(huì)因光電效應(yīng)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子因電場(chǎng)的存在，被吸入勢(shì)阱，被儲(chǔ)存起來(lái)，而空穴則被排斥到半導(dǎo)體襯底的底部。一個(gè)勢(shì)阱收集到的若干個(gè)光子產(chǎn)生的電荷稱為一個(gè)電荷包。

光電子的數(shù)量與光子的能量、光強(qiáng)和照射時(shí)間成正比。而同一種材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收不一樣，不同波長(zhǎng)的光穿透能力不同，因此，不同能量，也即不同波長(zhǎng)的光子產(chǎn)生的光電子數(shù)量不同。光電子數(shù)量與光波長(zhǎng)的相關(guān)性的性能指標(biāo)是量子效率。

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