一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成.CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少.取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中.移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端.将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中,就可对信号再现或进行存储处理.由于CCD光敏元可做得很小(约10um),所以它的图象分辨率很高. 一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理 CCD的基本单元是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图1所示.以P型硅为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层,然后在SiO2 上淀积一层金属为栅极,P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴,少数载流子是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引.于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。 当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。 CCD工作原理 总之,上述结构实质上是个微小的MOS电容,用它构成象素,既可“感光”又可留下“潜影”,感光作用是靠光强产生的电子电荷积累,潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的,若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端,再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递. 二．电荷的转移与传输 CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器,它的表面由不透光的铝层覆盖,以实现光屏蔽.由上面讨论可知,MOS电容器上的电压愈高,产生的势阱愈深,当外加电压一定,势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小.利用这一特性,通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅.制造时将MOS电容紧密排列,使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”.认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小(目前工艺可做到0.2μm),在信号电荷自感生电场的库仑力推动下,就可使信号电荷由浅处流向深处,实现信号电荷转移. 为了保证信号电荷按确定路线转移,通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲.下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理. 1.三相CCD传输原理 简单的三相CCD结构如图2所示.每一级也叫一个像元,有三个相邻电极,每隔两个电极的所有电极(如1、4、7……,2、5、8……,3、6、9……)都接在一起,由3个相位相差1200 的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动,故称三相CCD,图2(a)为断面图;图(b)为俯视图;图(d)给出了三相时钟之间的变化.在时刻t1,第一相时钟φ1处于高电压,φ2、φ3处于低压.这时第一组电极1、4、7……下面形成深势阱,在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”,如图(c)所示.在t2时刻φ1电压线性减少,φ2为高电压,在第一组电极下的势阱变浅,而第二组(2、5、8……)电极下形成深势阱,信息电荷从第一组电极下面向第二组转移,直到t3时刻,φ2为高压,φ1、φ3为低压,信息电荷全部转移到第二组电极下面.重复上述类似过程,信息电荷可从φ2转移到φ3,然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中,当三相时钟电压循环一个时钟周期时,电荷包向右转移一级(一个像元),依次类推,信号电荷一直由电极1、2、3……N向右移,直到输出. 2．二相CCD传输原理 CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD 中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非对称势阱.但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱,从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD中多采用二相结构.实现二相驱动的
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有: 阶梯氧化层电极 阶梯氧化层电极结构参见图3.由图可见,此结构中将一个电极分成二部分,其左边部分电极下的氧化层比右边的厚,则在同一电压下,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用. 设置势垒注入区(图4) 对于给定的栅压, 位阱深度是掺杂浓度的函数.掺杂浓度高,则位阱浅.采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处,则该处位阱就较浅,任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动. 三．电荷读出 CCD的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法. 图5(a)是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管,当二极管加反向偏置时,在PN结区产生耗尽层.当信号电荷通过输出栅OG转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出.输出电流的大小与信息电荷大小成正比,并通过负载电阻RL变为信号电压U0输出. 图5(b)是一种浮置栅MOS放大器读取信息电荷的方法.MOS放大器实际是一个源极跟随器,其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制,所以源极输出随信号电荷变化.为了接收下一个“电荷包”的到来,必须将浮置栅的电压恢复到初始状态,故在MOS输出管栅极上加一个MOS复位管.在复位管栅极上加复位脉冲φR,使复位管开启,将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位. 图5(c)为输出级原理电路,由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管,可使栅极等效电容C很小.如果电荷包的电荷为Q,A点等效电容为C,输出电压为U0,A点的电位变化△U=－ ,因而可以得到比较大的输出信号,起到放大器的作用,称为浮置栅MOS放大器电压法.
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