CCD的原理及CCD器件.docx
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CCD的原理及CCD器件
CCD的原理及CCD器件
2.2.1CCD的基本工作原理
CCD（ChargedCoupledDevice，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。
（一）MOS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2.1）。
图2.1MOS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信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。
（二）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2.2给定CCD参数时表面势VS与电荷QS的关系
图2.2表示了Si-SiO2的表面电势VS与存储电荷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2.3（a）所示。
图2.3（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2.3（c）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。
（a）空势阱（b）填充1/3的势阱（c）全满势阱
图2.3势阱
2.3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*得很近的电极来观察，见图2.4。
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2.4（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2.4（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，因这两个电极*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2.4（b）和2.4（c）所示。
若此后电极上的电压变为图2.4（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2.4（e）。
由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
图2.4三相CCD中电荷的转移过程
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，并施加同样的时钟脉冲。
CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。
图3—4所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图3—4（f）所示，这样的CCD称为三相CCD。
三相CCD的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元的转移。
另外必须强调指出的是，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。
这对于图3—4所示的电极结构是一个关键问题。
如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极转移。
CCD便不能在外部时钟脉冲的作用下正常工作。
2.4电荷的注入和检测
CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。
光注入就是当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。
而所谓电注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。
在此仅讨论与本课题有关的光注入法。
CCD利用光电转换功能将投射到CCD上面的光学图像转换为电信号“图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。
其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。
当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半导体吸收。
所谓半导体光吸收，就是电子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。
我们这里将要涉及到的是价带电子越过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子（或空穴）到导带（获价带）的跃迁。
他们分别称为本征吸收和非本征吸收。
CCD利用处于表面深耗尽状态的一系列MOS电容器（称为感光单元或光敏单元）收集光产生的少数载流子。
这些收集势阱是相互隔离的。
由此可见，光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。
另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目与存储电荷的定量关系正是CCD检测器用于对光信号作定量分析的依据。
转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压（电流）的线性变换，称之为电荷检测。
从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。
针对不同的使用要求，有几种常用的检测电路，如栅电容电荷积分器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。
这里就不一一叙述了。
2.5CCD的光谱分析特性
2.5.1电荷转移效率（CTE）
CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。
把一次转移之后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。
好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。
例如，一个有2048像元的CCD，其信号电荷的总的电荷转移效率为0.9999952048，即0.9898，损失率只有约0.1%。
2.5.2量子效率（QE）
图3—5比较了典型的PMT（光电倍增管）、PDA（光电二极管阵列）、CID（电荷注入器件）和CCD的量子效率。
可见，CCD的量子效率大大优于PDA和CID，在400～700nm波段优于PMT。
但是，不同厂商制造的CCD在几何尺寸、制造方法、材料上有所不同，结果它们的QE差别较大。
如有的CCD只在350～900nm波段的QE达10%以上，有的CCD在200～1000nm波段都有很高的量子效率。
造成QE下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产生光生电荷。
许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。
采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效率损失。
背部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达1000Å。
图2.5常用固态光谱检测器量子效率对比
2.5.3暗电流
CCD在低温工作时，暗电流非常低，暗电流是由热生电荷载流子引起的，冷却会使热生电荷的生成速率大为降低[3]。
但是CCD的冷却温度不能太低，因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低。
制冷到150K的CCD暗电流小于0.001个电子╱检测元╱秒。
2.5.4动态范围
动态范围DR的定义为：
（3.1）
其中VSAT为饱和输出电压，VDRK为有效像元的平均暗电流输出电压。
在正常工作条件下，CCD检测器的所有像元经历同时曝光，式（3.1）表示的是单个检测像元的动态范围，即简单动态范围。
CCD的简单动态范围非常大，宽达10个数量级。
以7500Å;;的红光光子为例，CCD可在1毫秒积分时间内对光强达每秒5×109个光子的光束响应。
可以对每秒7×10-2个光子的光源响应。
而且在整个动态范围响应内，都能保持线性响应。
这一特性对光谱的定量分析具有特别的意义。
但在一些光谱分析中，如AES（原子发射光谱）中，实际的动态范围达不到那么大的值。
一种扩展CCD动态范围的方法是根据光的强弱改变每次测量的积分时间[7，8]。
强信号采用短的积分时间，弱信号采用长的积分时间。
这种方法测量强信号旁的弱信号非常不利，存在Blooming（溢出）的问题，特别是对于AES。
通过改进CCD制作工艺生产出来的性能优秀的CCD已在不同程度上解决了这个问题。
2.6CCD原理及成像分析
电荷藕合器件图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。
CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。
当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。
图2.6CCD外观及引线
CCD和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。
只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。
CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。
CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。
目前有能力生产CCD的公司分别为：
SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。
目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。
线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。
这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。
矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。
通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。
一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。
典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。
这两种排列方式成像的原理都是一样的。
在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。
该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。
这就是大多数数码相机CCD的成像原理。
因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。
图2.7CCD像素矩阵分布
2.7CCD成像分析
光线透过镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。
当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上，模拟电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片诞生了。
然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。
线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。
这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。
因此在很多场合不适用，不在今天我们讨论的范围里。
另一种是矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。
通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。
一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。
典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。
这两种排列方式成像的原理都是一样的。
在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。
该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。
这就是大多数数码相机CCD的成像原理。
因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。
另一种处理方法是使用三棱镜，他将从镜头射入的光分成三束，每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块CCD分别感光。
这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。
如300万像素的相机就是由三块300万像素的CCD来感光。
也就是可以做到同点合成，因此拍摄的照片清晰度相当高。
该方法的主要困难在于其中包含的数据太多。
在你照下一张照片前，必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘。
因此这类相机对其他部件的要求非常高，其价格自然也非常昂贵。
图2.8CCD光谱成像曲线
SUPERCCD是由富士公司独家推出的，它并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。
将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。
富士公司宣称，SUPERCCD可以实现相当于ISO800的高感度，信噪比比以往增加30左右，颜色的再现也大幅改善，电量消耗减少了许多。
富士公司宣称SUPERCCD可与多40%像素的传统CCD的分辨率相媲美，SUPRECCD打破了以往CCD有效像素小于总像素的金科玉律，可以在240万像素的SUPERCCD上输出430万像素的画面来。
因此，富士公司和他们的SUPERCCD一推出即在业界引起了广泛的关注。
图2.8CCD色调原理图
在传统CCD上为了增加分辨率，大多数数码相机生产厂商对民用级产品采取的办法是不增大CCD尺寸，降低单位像素面积，增加像素密度。
我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄。
因此这种方法不能无限制地增大分辨率。
如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图象质量的恶化。
但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图象质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。
但目前更大尺寸CCD加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来。
图2.9不同形状像素的CCD矩阵
传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。
SUPERCCD采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。
SUPERCCD在排列结构上比普通CCD要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，SUPERCCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。
那为什么SUPERCCD的输出像素会比有效像素高呢？
我们知道CCD对绿色不很敏感，因此是以G－B－R－G来合成。
各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。
而SUPERCCD通过改变像素之间的排列关系，做到了R、G、B像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。
因此传统CCD是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而SUPERCCD就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。
也就是说，CCD每4个点合成一个像素，每个点计算4次；SUPERCCD每3个点合成一个像素，每个点也是计算4次，因此SUPERCCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了。
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