CCD結構和工作原理

CCD每個像素是一個金屬-氧化物-半導體（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，只是為了說明，未按比例繪制）：

以上只是示意圖，為了便于說明。實際的柵極電極形狀和水平移位寄存器的布局可能不同。下面是一種實際的形狀結構：

表面溝道CCD工作原理：

1.         勢阱的形成

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

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

c.         耗盡區(qū)對電子來說，是一個勢能很低的區(qū)域，若注入電子，電場則吸引它到電極下的耗盡區(qū)，由于絕緣層和電場的存在，注入的電子會被束縛在這個區(qū)域內，實現電荷的儲存。這個區(qū)域就稱為勢阱。

d.         當U_G大于某個閾值U_th時，電場強度高到足以將半導體內電子（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U_G>0時，如有自由電子進入勢阱，耗盡層高度和電勢隨電子數量的增加而減小，使電場變弱，勢阱變淺，當電子數量達到一定程度，電場不足以束縛電子，因此勢阱的電子容量是有限的，這個容量就是CCD的關鍵參數：像素滿井容量。

像素滿井容量（Full-Well Capacity）

對科學級相機，一般為數百個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：Q=C_ox×U_G×A_d

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

1.         電子的產生

l  光子進入襯底時，會因光電效應產生電子-空穴對，電子因電場的存在，被吸入勢阱，被儲存起來，而空穴則被排斥到半導體襯底的底部。一個勢阱收集到的若干個光子產生的電荷稱為一個電荷包。

光電子的數量與光子的能量、光強和照射時間成正比。而同一種材料對不同波長的光的吸收不一樣，不同波長的光穿透能力不同，因此，不同能量，也即不同波長的光子產生的光電子數量不同。光電子數量與光波長的相關性的性能指標是量子效率。

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