第三章CCD的基本原理

1、物体(信号源)传输介质光学系统(信号分析器)光电摄像器件(信号变换器)显示器人眼光源光信号光信号光信号信号信号背景噪声背景噪声噪声噪声CCD的基本工作原理把一个把一个MOS结构元中所收集的光生电荷称为一个电荷包。结构元中所收集的光生电荷称为一个电荷包。表面沟道表面沟道CCD的特点：的特点： 工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率低，工作频率一般在的影响，转移速度和转移效率低，工作频率一般在10MHz以下。以下。体沟道体沟道CCD的特点：的特点： 由于形成了体内的转移沟道，避免了表面态的影响，由于形成了体内的转移沟道

2、，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达使得该种器件的转移效率高达99.999以上，工作频率可以上，工作频率可高达高达100MHz，且能做成大规模器件。，且能做成大规模器件。P型半导体（S）金属电极（M）SiO2（O）UMOS结构：一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。因为它是由金属(M)氧化物(O)半导体(S)三层所组成，故称MOS结构。光敏元阵列：光敏元阵列：电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光

3、敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。元按线阵或面阵有规则地排列。CCD读出移位寄存器读出移位寄存器的的数据面显微照片数据面显微照片 2651801339066453322MOS元数量不同的图像比较2.2.移位寄存器：移位寄存器：也由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是也由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是MOSMOS结构，它与结构，它与MOSMOS光敏单元的区别是不能使它受光照光敏单元的区别是不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。射，应防止外来光线的干扰。1 前照明光输入1 背照明光

4、输入2 电荷产生3 电荷存储4 电荷转移5 电荷检测视频输出此图摘自 James Janesick “Dueling Detectors”CCD的性能很大程度上是由电荷图像的产生决定的，CCD电荷图像的产生是CCD工作最重要的过程之一。CCD电荷图像的产生过程产生过程就是光电转换的过程；CCD电荷图像的产生机理产生机理是半导体的光电效应；CCD电荷图像的产生理论产生理论是固体物理的能带理论。硅和锗都是金刚石晶格结构半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格:每个原子被四个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键。每个电子对组

5、成一个共价键，组成共价键的电子称为价电子。价电子通常位于价带，不能导电。44444能量增加价带导带1.12 eV 硅的能级图共价键示意图photonphoton空穴 电子gphEEhchEph其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。 当 时，光子没有足够的能量将电子由价带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对于本征(intrinsic)硅有： )(24. 1meVEEhcggceVEg12. 1mc11. 1ccMOS电容结构电容结构1.金属金属 2.绝缘层绝缘层SiO2平带条件：平带条件：当当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从电容的极板上无外加电压时，在理想情况下

6、，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量代表电子的能量)从表面从表面到内部是平的。到内部是平的。 对于对于P型半导体，空穴分布是均匀的，能带不型半导体，空穴分布是均匀的，能带不弯曲，弯曲，SiO2两侧能级相等。两侧能级相等。Ec导带底能量导带底能量Ei禁带中央能级禁带中央能级Ef费米能级费米能级Ev价带顶能量价带顶能量 (a)在金属电极上施加较小的正向在金属电极上施加较小的正向电压电压（UG0但较小）时，表面势但较小）时，表面势为正，电子能量减小，表面处能为正，电子能量减小，表面处能带向下弯曲。这时近表面处空穴带向下弯曲。这时近表面处空穴被推开

7、，一定宽度内留下受主离被推开，一定宽度内留下受主离子形成的空间电荷区，称为耗尽子形成的空间电荷区，称为耗尽区，区，MOS电容器处于耗尽状态。电容器处于耗尽状态。 此区域对电子来说是一个势能很此区域对电子来说是一个势能很低的区域，故也称低的区域，故也称“势阱势阱”，此，此时能够弯曲部分的宽度就是耗尽时能够弯曲部分的宽度就是耗尽层的厚度。层的厚度。(b)在金属上加较大的正向电压在金属上加较大的正向电压UG大于开启电压大于开启电压 Uth时，则能带时，则能带在表面处向下弯曲更厉害，此时在表面处向下弯曲更厉害，此时半导体表面的费米能级高于禁带半导体表面的费米能级高于禁带中央能级，这表示界面处的电子中央

8、能级，这表示界面处的电子浓度将超过空穴浓度，形成了与浓度将超过空穴浓度，形成了与原来原来P型半导体相反的一层型半导体相反的一层N型区，型区，这时从表面开始到这时从表面开始到Ef与与Ei相交点相交点的一个薄层内，变成了的一个薄层内，变成了N型导电，型导电，称为反型区。在反型区与称为反型区。在反型区与P型区型区之间为耗尽区。当之间为耗尽区。当UG进一步增大，进一步增大，使界面下电子浓度等于衬底空穴使界面下电子浓度等于衬底空穴浓度时称为强反型状态。浓度时称为强反型状态。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。势阱填满：电子在半导体表面堆积

9、后使平面势下降。 单个单个CCD光敏单元的栅极电压变化对耗尽区的影响光敏单元的栅极电压变化对耗尽区的影响(a)栅极电压为零；栅极电压为零；(b)栅极电压小于阈值电压；栅极电压小于阈值电压；(c)栅极电压大于阈值电压栅极电压大于阈值电压金属栅电极G氧化层P型半导体耗尽层反型层UGUth (a) (b) (c)UG=03.1 电荷存储当栅源之间加上正向电压，P型衬底相当于以SiO2为介质的平板电容器，在正的栅源电压的作用下，介质将产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向P衬底的电场。这个电场是排斥空穴而吸引电子的，因此，使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子形成耗尽层。同时P型衬底

10、中的少子（电子）被吸引到栅极下的衬底表面。当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，即反型层。 SUGP型硅杂质浓度NA=1021m-3反型层电荷QINV=0 1.0V 1.4VUth= 2.2V 3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面势S与栅极电压UG的关系NA=1021m-3(S)min=2F(0.6V)SQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15V表面势S与反型层电荷密度QINV的关系曲线的直线特性好，说明两者有着良好的反比例线性关系。电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体的交界面处。UG10V10VUG

11、=5VUG=10VUG=15V空势阱填充1/3势阱全满势阱MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=CoxUGA04812163.2 电荷耦合CCD电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构和信号检测结构。转移电极结构(主要研究)的基本要求：使电荷定向转移和相邻势阱耦合。最早的CCD转移电极是用金属(一般用铝)制成的。 CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。3.3 CCD的电极结构3.3.1三相三相CCD电极结构电极结构三相单层铝电极结构三相单层铝电极结构CCD衬底一般采用轻掺杂的硅，电阻率衬底一般采用轻掺杂的硅，电

12、阻率为为103cm左右，氧左右，氧化层厚度通常为化层厚度通常为0.1um左右。三相单层金属电极结构如下图左右。三相单层金属电极结构如下图所示。所示。特点：工艺简单且存储密度较高。特点：工艺简单且存储密度较高。缺点：电极间隙处氧化物直接裸露在周围气氛中，使得下方缺点：电极间隙处氧化物直接裸露在周围气氛中，使得下方表面势变得不稳定，影响转移效率。正由于这个缺点，这种表面势变得不稳定，影响转移效率。正由于这个缺点，这种结构很少在实用器件中采用。结构很少在实用器件中采用。要在金属氧化层上刻出宽度仅为要在金属氧化层上刻出宽度仅为2-3um、总长度以厘米计的间隙，在光、总长度以厘米计的间隙，在光刻工艺上有

13、相当的难度。为了解决这个问题，可采用刻工艺上有相当的难度。为了解决这个问题，可采用“阴影腐蚀技术阴影腐蚀技术”。 特点：特点：电极结构的成品率高，电极结构的成品率高，性能稳定，不易受环境性能稳定，不易受环境因素影响。因素影响。三相电阻海结构三相电阻海结构为了避免上述结构成品率较低和电极间隙氧化物裸露的为了避免上述结构成品率较低和电极间隙氧化物裸露的问题，并保持结构简单的特点，引进了一种简单的硅栅问题，并保持结构简单的特点，引进了一种简单的硅栅结构。在氧化层上淀积一层连续的高阻多晶硅，然后对结构。在氧化层上淀积一层连续的高阻多晶硅，然后对电极区域进行选择掺杂，形成高阻与低阻相间的三相电电极区域进

14、行选择掺杂，形成高阻与低阻相间的三相电极图案，引线和区焊点都在附加的一层铝上形成。极图案，引线和区焊点都在附加的一层铝上形成。缺点缺点:每个单元的尺寸较大。这是因为每个单元沿电荷转移沟道的每个单元的尺寸较大。这是因为每个单元沿电荷转移沟道的长度包括三个电极和三个电极间隙，它们受光刻和多晶硅局长度包括三个电极和三个电极间隙，它们受光刻和多晶硅局部掺杂工艺的限制而无法做得很窄。由于这个原因，电阻海部掺杂工艺的限制而无法做得很窄。由于这个原因，电阻海结构不适宜于用来制造大型器件。此外，还必须注意掌握掺结构不适宜于用来制造大型器件。此外，还必须注意掌握掺杂多晶硅的电阻率。电阻率必须足够低，以便能够跟得

15、上外杂多晶硅的电阻率。电阻率必须足够低，以便能够跟得上外时钟波形，但是也不能太低，以免功耗太大。时钟波形，但是也不能太低，以免功耗太大。三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构制造电极间隙极窄、转移沟道封闭的制造电极间隙极窄、转移沟道封闭的CCD的方法之一是采的方法之一是采用交叠栅结构。对于三相器件来说，最常见的交叠栅结构用交叠栅结构。对于三相器件来说，最常见的交叠栅结构如图所示。该图为三层多晶硅交叠栅结构示意图。如图所示。该图为三层多晶硅交叠栅结构示意图。首先生长栅氧，接着淀积氧化硅和一层多晶硅，然后在多晶首先生长栅氧，接着淀积氧化硅和一层多晶硅，然后在多晶硅层刻出第一组电极。用热氧法在这些电极表面

16、形成一层氧硅层刻出第一组电极。用热氧法在这些电极表面形成一层氧化物，以便与接着淀积的第二层多晶硅绝缘。第二层用同样化物，以便与接着淀积的第二层多晶硅绝缘。第二层用同样方法刻出第二组电极后进行氧化。重复上述工艺步骤，以形方法刻出第二组电极后进行氧化。重复上述工艺步骤，以形成第三层电极。成第三层电极。 特点：电极间隙仅为电极间氧化层的厚度，只有零点几微米，特点：电极间隙仅为电极间氧化层的厚度，只有零点几微米，单元尺寸也小，沟道是封闭形成，因而成为被广泛采用的三单元尺寸也小，沟道是封闭形成，因而成为被广泛采用的三相结构。相结构。缺点：高温工序较多，而且必须防止层间短路。缺点：高温工序较多，而且必须防

17、止层间短路。3.3.2二相二相CCD电极结构电极结构对于单层金属化电极结构，为了保证电荷定向转移，驱对于单层金属化电极结构，为了保证电荷定向转移，驱动脉冲至少需要三相。当信号电荷自动脉冲至少需要三相。当信号电荷自2电极向电极向3电极转电极转移时，在移时，在1电极下面形成势垒，以阻止电荷倒流。如果电极下面形成势垒，以阻止电荷倒流。如果想用二相脉冲驱动，就必须在电极结构中设计并制造出想用二相脉冲驱动，就必须在电极结构中设计并制造出某种不对称性，即由电极结构本身保证电荷转移的定向某种不对称性，即由电极结构本身保证电荷转移的定向性。产生这种不对称性最常用的方法，是利用绝缘层厚性。产生这种不对称性最常用

18、的方法，是利用绝缘层厚度不同的台阶以及离子注入产生的势垒。度不同的台阶以及离子注入产生的势垒。相对于硅栅、铝栅下面是势垒。相对于硅栅、铝栅下面是势垒。它的作用是将各个信号电荷包隔它的作用是将各个信号电荷包隔离并且限定电荷转移的方向。在离并且限定电荷转移的方向。在图图3-9所示的情形中，电荷将处在所示的情形中，电荷将处在势阱比较深的右半部内，厚氧化势阱比较深的右半部内，厚氧化区下方势垒阻挡住电荷，使电荷区下方势垒阻挡住电荷，使电荷只能向右转移。只能向右转移。二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝交叠栅结构第一层电极采用低电阻率多晶硅。在这些电极上热生长绝缘第一层电极采用低电阻率多晶硅。在这些电极上热生长绝

19、缘氧化物的过程中，没有被多晶硅覆盖的栅氧区厚度也将增长。氧化物的过程中，没有被多晶硅覆盖的栅氧区厚度也将增长。第二层电极采用铝栅下绝缘物厚度与硅栅下不同，因而在相第二层电极采用铝栅下绝缘物厚度与硅栅下不同，因而在相同栅压下形成势垒。相邻的一个铝栅同栅压下形成势垒。相邻的一个铝栅(表面电极表面电极)和一个硅栅和一个硅栅(SiO2中的电极中的电极)并联构成一相电极，加时钟脉冲并联构成一相电极，加时钟脉冲1，另一相，另一相电极加时钟脉冲电极加时钟脉冲2。阶梯状氧化物结构阶梯状氧化物结构阶梯状氧化物结构是用一次金属化过程形成不对称势阱，阶梯状氧化物结构是用一次金属化过程形成不对称势阱，实现二相实现二相

20、CCD电极结构。有两种工艺流程可以作为实现这电极结构。有两种工艺流程可以作为实现这种结构的途径。种结构的途径。第一种工艺流程得到的电极结构如图第一种工艺流程得到的电极结构如图3-10(a)所示。在所示。在400 nm的厚栅氧的厚栅氧(SiO2)上面覆盖上面覆盖100 nm的的AlO，AlO刻出图形刻出图形后被当做掩膜将未遮掩的厚栅氧区腐蚀至约后被当做掩膜将未遮掩的厚栅氧区腐蚀至约100nm。在这。在这个过程中，被氧化铝掩蔽的区域边缘出现横向铝蚀，造成个过程中，被氧化铝掩蔽的区域边缘出现横向铝蚀，造成氧化铝突出部，如图氧化铝突出部，如图3-10(a)所示。当金属淀积时在突出部所示。当金属淀积时在

21、突出部分会出现断条，从而使相邻电极隔离。分会出现断条，从而使相邻电极隔离。另一种工艺流程如图另一种工艺流程如图3-10(b)所示，也能得到与上面基本所示，也能得到与上面基本相同的结构。这种工艺流程相同的结构。这种工艺流程从从0.5m厚度的厚栅氧层开厚度的厚栅氧层开始，以光致抗蚀剂作掩胶将始，以光致抗蚀剂作掩胶将暴露的厚栅氧层腐蚀至厚度暴露的厚栅氧层腐蚀至厚度0.1m，从而形成阶梯状氧，从而形成阶梯状氧化物结构。进行腐蚀时必须化物结构。进行腐蚀时必须尽可能使厚氧区与薄氧区之尽可能使厚氧区与薄氧区之间台阶的边缘保持垂直、整间台阶的边缘保持垂直、整齐。然后从一定的斜角方向齐。然后从一定的斜角方向蒸发

22、一层金属栅，金属在厚蒸发一层金属栅，金属在厚氧区一侧覆盖住台阶，而在氧区一侧覆盖住台阶，而在另一侧完全断条。另一侧完全断条。采用离子注入技术可以在电极下面不对称位置上设置注入势垒采用离子注入技术可以在电极下面不对称位置上设置注入势垒区，如图区，如图3-11所示。与上述阶梯状氧化物结构相比，离子注入所示。与上述阶梯状氧化物结构相比，离子注入技术容易制成较高的电势台阶，而且如果注入的离子就集中在技术容易制成较高的电势台阶，而且如果注入的离子就集中在界面附近，势垒高度受电极电势的影响比较小。离子注入势垒界面附近，势垒高度受电极电势的影响比较小。离子注入势垒二相结构同样有损失电极贮存面积的问题。二相结

23、构同样有损失电极贮存面积的问题。注入势垒二相结构注入势垒二相结构3.3.3四相四相CCD电极结构电极结构图图3-12是三种四相是三种四相CCD电极结构。图电极结构。图3-12(a)是两层金属是两层金属(例如钼例如钼)中间用中间用100 nm的沉积二氧化硅绝缘。图的沉积二氧化硅绝缘。图3-12(b)所示的结构与多所示的结构与多晶硅晶硅-铝交叠栅结构相似，只是现在各电极下绝缘层厚度一样，铝交叠栅结构相似，只是现在各电极下绝缘层厚度一样，各电极面积相同。也可以用两层多晶硅电极，采用两层铝电极各电极面积相同。也可以用两层多晶硅电极，采用两层铝电极的结构用阳极氧化方法获得绝缘层，如图的结构用阳极氧化方法

24、获得绝缘层，如图3-12(c)所示。所示。阳极氧化方法：阳极氧化方法：金属制件作为阳极在一定的电解液中进行电解，使其表面形成一层具有某种功能(如防护性，装饰性或其他功能)的氧化膜的过程。 缺点：四相缺点：四相CCD时钟驱动电路比较复杂。时钟驱动电路比较复杂。优点：与三相器件相比，四相器件中连接两个电荷包之间有优点：与三相器件相比，四相器件中连接两个电荷包之间有双重势垒相隔，这有助于提高转移效率。双重势垒相隔，这有助于提高转移效率。图图3-13示出四相器件在某一刻的表面势分布。四相器件的操示出四相器件在某一刻的表面势分布。四相器件的操作方式与三相、二相器件相比，较为适应很高的时钟频率作方式与三相

25、、二相器件相比，较为适应很高的时钟频率(例如例如100 MHz)，波形接近正弦的驱动脉冲。，波形接近正弦的驱动脉冲。3.3.4体沟道体沟道CCD上面介绍的上面介绍的CCD中，信号电荷只在贴近界面的极中，信号电荷只在贴近界面的极薄衬底内运动。由于界面处存在陷阱，信号电荷薄衬底内运动。由于界面处存在陷阱，信号电荷在转移过程中将受到影响，从而降低工作速度和在转移过程中将受到影响，从而降低工作速度和转移效率。为了减轻或避免上述问题，可在半导转移效率。为了减轻或避免上述问题，可在半导体体内设置信号转移沟道。这类器件称为体沟道体体内设置信号转移沟道。这类器件称为体沟道或埋沟道或埋沟道CCD(BCCD)。B

26、CCD结构的纵向剖面如图结构的纵向剖面如图3-14所示。由于转移沟道所示。由于转移沟道进行了离子注入，势能极小值离开了界面。体内沟道进行了离子注入，势能极小值离开了界面。体内沟道原则上可以用外延生长法形成，不过在控制薄外延层原则上可以用外延生长法形成，不过在控制薄外延层的掺杂浓度和降低缺陷密度方面有一定困难。的掺杂浓度和降低缺陷密度方面有一定困难。外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。0ATqQeonIP3.4 电荷的注入检测材料的量子效率入射光的光子流速率光敏单元的受光面积光注入时间CCD摄像器件的光敏单元为光

27、注入方式摄像器件的光敏单元为光注入方式U+U+势垒P-Si背面照射式光注入NEO电流注入法电流注入法ID为源极，IG为栅极,而2为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：22thIGINOXGsUUUCLWI经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：cthIGINOXGsTUUUCLWQ22IDuINuIDIG1232P-SiN+电压注入法电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的势垒把2N+的势阱分开，同时，留在IG下的

28、电荷被挤到2N+的势阱。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。IDIG213231N+P-Si2、电荷的检测CCD输出结构是将输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。为电流或电压输出。电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置栅输出结构应散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置栅输出结构应用最广。用最广。由于二极管反向偏置，形成一个深势阱，转移到2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化。(1)电流输出：如图a。UDRDRgAOG

29、12放大P-Si图aN+TRR当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极(图中2电极)下的势阱中后,2电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过输出栅(加有恒定的电压)下的势阱进入反向偏置的二极管(图中n+区)。由UD电阻R、衬底p和n+区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入到反向偏置的二极管中的电荷，将产生输出电流ID,且ID的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，而与电阻R成反比。电阻R是制做在CCD内的电阻，阻值是常数。所以，输出电流ID与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且QS=IDdt,由于ID的存在，使得A点的电位发生变化，ID增大，A点电位降低。所以用A点

30、电位来检测二极管的输出电流ID。(2)浮置扩散放大器输出：如图b。复位管在2下的势阱未形成前，在RG端加复位脉冲，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到UDD，而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化。图bOG12浮置扩散T1（复位管）T2（放大管）RGUDDR(3)浮置栅放大器输出：如下图。浮栅T2UDD1321323T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出

31、镜像电荷，以此来控制在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制T2的栅极电位。的栅极电位。R对对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 浮置栅浮置栅CCD放大输出信号的特点是：放大输出信号的特点是：信号电压是信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度有一定的时间长度T；在输出信号中叠加有复位期；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。间的高电平脉冲。 0100QtQQtQQ转移损失率： 10QtQ3

32、.5 CCD的特性参数 nQnQ0 nQnQ0一个电荷为Q(0)的电荷包，经过n次转移后，所剩下的电荷n次转移前后电荷量之间的关系为影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零信号”也有一定的电荷。(t)Q(0)/C5MHz1MHzQ(1)/C=2V 转移损失率与驱动脉冲频率f之间的关系(t)驱动脉冲频率fQ(0)/C=2V5V10VP沟道驱动脉冲频率f实测三相多晶硅N沟道SCCD的关系曲线10MHz良好，光电转换因子可达到99.7%。CCD的光电转换特性即输入输出特性如图所示，其输出信号正比于曝光量（不饱和时），当曝光量达到某一值后，其输出就达到最大

33、值，而不再增加（水平线），如图所示。对于不同的照度，曝光量也是不同的，则可得到不同的光电转换特性。 曝光量/(lx*s) 输出信号/V CCD 光电转换特性 VSATVDARKSE特性曲线的拐点G所对应的曝光量叫饱和曝光量(SE)，高于这点的曝光量，CCD输出信号不再增加，G点所对应的输出电压叫饱和输出电压(VSAT)。G由于CCD是用硅材料制成的，所以它的光电转换特性与硅靶摄像管相似，对于恒定的曝光量，在一定范围内将产生恒定的信号输出。特性曲线的线性段可用下式表示： 其中y为输出信号电压(V)，x为曝光量(lx*s)，a为直线段的斜率，它表示CCD的光响应灵敏度(V/lx*s)， 为光电转换

34、系数（约为1），b为无光照时CCD输出电压，称为暗输出电压(VDARK)。baxy当曝光量一定时， a的大小直接影响着CCD的输出幅度。一只良好的CCD传感器。应具有高的光响应度a和低的暗输出电压b。图像传感器的灵敏度标志着器件光敏区内的光电转换效率，利用一定光谱范围内，单位曝光量下器件输出的电流或电压幅度来表示，实际上，上述光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度。器件工作时，应把工作点选在光电转换特性曲线的线性区内（可以调整光强或积分时间来控制）。一般宜选择工作点接近饱和点，但最大光强又不进入饱和区的位置，这样可提高光电转换精度。光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。光谱响应指光

35、阴极量子效率与入射波长之间的关系。光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。太阳电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应。各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为太阳电池的绝对光谱响应。如果每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，这就是该太阳电池的相对光谱响应。但是，无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高，越

36、平坦，对应电池的短路电流密度就越大，效率也越高。 量子效率（Quantum efficiency, QE）是用来定义光敏器件，例如底片、CCD等将其受光表面接收到的光子转换为电子-空穴对的百分比例。 量子效率是器件对光敏感性的精确测量。由于光子的能量与波长的导数成比例，量子效率的测量通常是在一段波长范围内进行。底片的量子效率通常少于10%，而CCD在某些波长位置具有超过90%的效率。 CCD的最大优点是量子效率高，高达50%70%，甚至有的可达到90% ，远高于照相底片（近100倍）和光电倍增管的量子效率，这对于探测暗弱天体是非常有利的。量子效率实际描述了CCD接受和记录信号的能力，CCD的量

37、子效率包括了表面接收光子的效率，进入内部的光子产生光生电荷的效率以及电荷读出的效率。提高量子效率的一个有效方法是将衬底减薄后采用背照技术，因为CCD的背面没有电极等复杂结构，因而能够得到高而均匀的量子效率。此外通常在CCD的表面镀抗反射膜，也是提高量子效率的方法。 暗电流是指在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下也会出现的电流。在正常工作的情况下，MOS电容处于未饱和的非平衡态。然而随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因此，即使在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在暗电流。暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准。当

38、CCD感应器表面没有受到光子撞击时，像素单元会残存某些有害电荷。该电荷是CCD芯片内部通电产生热量后，随机产生的热噪音电荷。这种有害电荷在未被光子撞击时，将残存在该像素单元内，称为暗电流。暗电流将限制CCD曝光的实际时间长度：如果暗电流电荷充斥所有的像素单元，则无法再对光子撞击感应产生电荷。因此暗电流越低，CCD曝光时间才能越长，从而获得理想的太空图像。 幸运的是暗电流可以检测出来。将天文望远镜光学部分遮盖（有意延长曝光时间），由于没有光线到达CCD芯片，就有可能检测出暗电流值-即所谓漆黑中像素单元里的电荷量。然后从每个像素单元的电荷值里减去暗电流值，即可获得无暗电流的电荷净值。 虽然这种从光

39、电感应总量中减去暗电流的处理方法是非常有意义的，但无法解决像素单元暗电流饱和问题。解决此问题的唯一途径是设法降低所用CCD芯片的暗电流值。 暗电流的主要来源有以下几个方面：(1) 耗尽区中的本征热激发产生的暗电流。(2) 少数载流子自中性体内向表面扩散产生的暗电流。(3) Si-SiO2界面引起的暗电流。另外，暗电流还与温度有关，温度越高，热激发产生的载流子越多，暗电流也越大(温度降低10，暗电流降低1/2)，因此CCD的温度不可过高。由于CCD是积分器件，所以它的暗电流与积分时间有关，随着积分时间的增长，积累的暗电荷也要增大。 冷冻冷冻CCD减小噪声，提高信噪比。探测器噪声是指探测器及其电路

40、的噪声，主要包括暗电流噪声和读出噪声。CCD本身的噪声对于成像质量有重大影响，对低光度暗星的观测尤为重要。CCD的读出噪声是指对探测器的各种噪声经过抑制处理后的最终噪声量。CCD的暗电流不但会产生噪声，也会占据势阱使得CCD的动态范围减小，积分时间不能过长，而且还会使CCD的图像增加附加的电子潜像使得背景不均匀。如果在CCD的结构上个别像素有缺陷，则会引起特别高的暗电流，使成像面上个别像素饱和，形成疵点和白斑。减小暗电流的主要途径是降低CCD的工作温度，通常每降低5 7暗电流减少一半。在很低的温度下，暗电流很小，很多时候可以忽略不计，对于高精度的观测，常常还需要进行暗场拍摄。CCD在低温工作时

41、，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。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。天文观测的CCD是用液氮（熔点：-209.8，沸点：195.6）冷却在低温下工作的，有些甚至用液氦制冷。但是业余观测使用的CCD系统，多采用半导体制冷。最低只能比环境温度低3040，一般要比能制冷的最低温度高3-5度。像素越多，分辨率越高，成像质量越好。像素的尺度越小，分辨率越高。目前生产的CCD像素大小为925um，这与细颗粒底片的分辨本领相当。但像素的尺度越小，量子效率越低。分辨率包括空间分辨率和时间分辨率，

42、空间分辨率是描述探测器鉴别空间密集像点的能力，通常用每毫米能分辨的线对来表示。对于CCD，像元大小决定了它的空间分辨率，像元的尺寸越小则空间分辨率越高，空间分辨率越高，探测和分辨精细结构的能力就越强，但同时降低了满阱电荷能力，缩小了动态范围，所以像元的尺寸不可能做得太小。时间分辨率表征探测器对入射辐射的记录或反应的速率，常用响应时间表示，响应时间越短，则时间分辨率越高。测量快速变化的对象时对时间分辨率提出了很高的要求，由于CCD数据的读出采用电荷耦合的方式，数据读出需要一段时间，CCD的时间分辨率不可能很高，所以对于测量快速变化对象时常采用光电倍增管，因为光电倍增管的时间分辨率很高。3.6 C

43、CD的种类(1)从结构上分为线阵CCD和面阵CCD两大类。(2)从受光方式上分为正面照射式和背面照射式。(3)按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光 CCD和紫外CCD。(4)可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和 微光CCD。由CCD 的工作原理和基本结构可以看出：CCD是一种阵列式光敏单元组成的器件。最初由于技术水平的限制，人们仅制造了光敏单元成一维线排列的线阵CCD 成像器件。在光敏单元阵列的两边或一边，安置了电荷转移的转移栅和移位寄存器。在每个移位寄存器的尽头又安置了电荷输出放大器。转移栅是用来将光敏单元光电转换的电荷，由光敏区转移到移位寄存器的。转移栅和移位寄存器都是被遮挡

44、的，只有光敏单元可以接收光照。这就是线阵CCD 成像器件。线阵CCD图像传感器由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成，分为单沟道结构和双沟道结构，其中双沟道结构的信号转移效率高。线阵CCD图像传感器可直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，必须用扫描的方法得到整个二维图像的视频信号。线阵CCD图像传感器主要用于尺寸测试和定位、传真和光学文字识别技术等方面。按照转移栅和移位寄存器及光敏单元阵列的数量和机构不同，线阵CCD 有两种：1)单沟道线阵CCD 器件：只有一条转移栅和移位寄存器，位于光敏单元阵列一边，其转移效率较低。2)双沟道线阵CCD 器件：有两条转移栅和移位寄存器，分别列于光敏单元阵列两边。其转移效率高。1.中间是一列感光单元(光电二极管阵列)，两侧分别设置了CCD移位寄存器。2.感光单元按位置的奇偶性，分别把其所存储的电荷向两侧移位寄存器传送，最后在输出部汇合输出。3.在其感光部和两侧CCD移位寄存器之间设有转移栅。转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图像。积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元中。转移栅