CCD工作原理
2012-07-05 09:53阅读：
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CCD概述
1969年由贝尔实验室的W.S.Boyle与G.E.Smith发明，并于次年发表“
Charge
coupled semiconductor device”的论文，揭开了人类对CCD研究的序幕。
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CCD工作原理
CCD的工作可分为四个基本动作：
（1）光电转换。
（2）电荷的存储。
（3）电荷的转移。
（4）电荷的检测。
其中光电转换与电荷的存储是在光电二极管中进行，电荷转移是在CCD移位寄存器中进行，电荷检测是在FD放大器进行。
2.1 光电转换与存储
光电转换就是将光信号转换成信号电荷。线阵CCD是由许多光敏像元组成的，每个像元就是一个MOS电容器，如图
它是在P型Si衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1000埃-1500埃的SiO2，再在表面镀一层金属，在衬底与金属电极间施加偏置电压，就构成了一个MOS电容器。当光照射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃迁到导带，如图
光子进入衬底时产生的电子跃迁，形成电子-空穴对。在外加电场的作用下，电子-空穴对分别向电极两端移动，其中少数载流子流入势阱中形成信号电荷。产生信号电荷的数量直接与入射光的强度及曝光时间成正比；另外势阱存储电荷的多少还与输入栅电极的电压有关。用于CCD图像传感器的Si单晶材料，在室温下价带Ev与导带Ec的电势差约为1.1eV。此电势被称为禁带Eg，只有能量大于此一能级的光子才能进行光电转换。光子能量E可由式
通过计算，可知能量大于1.1eV禁带的光，波长大约在1100nm以下，所以在Si单晶内可以进行光电转换的光波长最大约为1100nm，称为基础吸收端。
2.2
电荷的转移
可以说电荷的转移才是CCD真正的功能。CCD器件中存储在势阱中的电荷包能随栅极电压的变化作定向移动。为了理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置，可观察图中的四个彼此靠得很近的电极。电荷最初存储在偏压为10V的电极(2)下边的深势阱里，其它电极上均加有大于某临界值电压Vth的较低电压(例如ZV)，Vth称为阂值电压。如果逐渐将电极(3)的电压由ZV增加到10V，这时(2)、(3)两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极(2)下面的电荷，就在两个电极下面均匀分布，如图
(b)所示，然后，再逐渐将电极(2)的电压降到ZV，使其势阱深度降低，如图
(c)所示，这时电荷全部转移到电极③下面的势阱中，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。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，并施加相同的时钟脉冲。CCD内部结构决定其正常工作需要的脉冲。图所示的结构需要三相时钟脉冲(图d)。
2.3
电荷的检测
电荷的检测是将转移的信号电荷转换成电信号的动作。实际使用的电荷检测方法有以下两种
（1）浮置扩散放大器
（2）浮置栅极放大器
几乎所有的CCD图像传感器都采用前者，所以我们仅对前者进行详细说明。如图
信号电荷包在外加驱动脉冲的作用下，在CCD移位寄存器中暗顺序传送到输出级。当电荷包进入最后一个势阱中时，复位脉冲FR为正，场效应管T1导通，输出二极管D处于很强的反响偏置之下，其结电容C被充电到一个固定的直流电平Vcc上，源级跟随器T2的输出电平Vos被复位到一个固定的且略低于Vcc的正电平上，此电平称为复位电平。当FR正脉冲结束后，T1管截止，由于T1管存在一定的漏电流，这漏电流在T1管上产生一个小得压降，使输出电压有一个下跳，其下跳值称为馈通电压。当FR为正，F3也处于高电位时，信号电荷被转移到F3势阱中，由于VOG时，信号电荷进入电容C后，立即使A点电位下降到一个与信号电荷量成比例的电位上。与此相应，T2管输电平Vos也随之下降，其下降幅度才是真正的信号电压。
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参考文献
王帅 (2006). CCD器件的特性评价及其驱动和数据采集电路设计.
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