CCD的工作原理

CCD称为电荷耦合器件，它是于70年代受磁泡存储器的启发，作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。

CCD的结构原理是由一行行紧密排列的硅衬底上的MOS电容器构成的。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。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。下面平安之星跟你讲解一下CCD的工作原理

 

MOS电容器 CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其间每一个光敏像元就是一个MOS电容器。但作业原理与MOS晶体管不一样。
CCD中的MOS电容器的构成方法是这样的：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的方法生成一层厚度约为100～150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2外表按必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，即构成了一个MOS电容器

CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，大都载流子是空穴，少量载流子是电子。在电极施加栅极电压VG之前，空穴的散布是均匀的，当电极相关于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排挤，发生耗尽层，当栅压持续添加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层关于带负电荷的电子而言是一个势能格外低的区域，因而也叫做“势阱”。 在耗尽状况时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度比较是能够忽略不计的，但如正栅压VG进一步添加，界面上的电子浓度将跟着外表势成指数地添加，而外表势又是随耗尽层宽度成平方率添加的。这样跟着外表电势的进一步添加，在界面上的电子层构成反型层。而一旦呈现反型层，MOS就以为处于反型状况。明显，反型层中电子的添加和因栅压的添加的正电荷相平衡，因而耗尽层的宽度简直不变。反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热发生进程。关于经过很好处置的半导体资料，这种发生进程是十分缓慢的。因而在加有直流电压的金属板上叠加小的沟通信号时，反型层中电子数目不会因叠有沟通信号而改变。

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，就会发生一个电子—空穴对，其间的电子被吸引到电荷反型区存储。然后表明晰CCD存储电荷的功用。一个CCD检测像元的电荷存储容量决议于反型区的巨细，而反型区的巨细又取决于电极的巨细、栅极电压、绝缘层的资料和厚度、半导体资料的导电性和厚度等一些要素。
 

 电荷搬运 为了便于了解在CCD中势阱电荷怎么从一个方位移到另一个方位，取CCD中四个互相靠得很近的电极来调查

电荷的写入和检测 CCD中的信号电荷能够经过光写入和电写入两种方法得到。光写入就是当光照耀CCD硅片时，在栅极邻近的半导体体内发生电子—空穴对，其大都载流子被栅极电压排开，少量载流子则被搜集在势阱中构成信号电荷。而所谓电写入，就是CCD经过输入布局对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流变换为信号电荷。在此仅评论与本课题有关的光写入法。
CCD运用光电变换功用将投射到CCD上面的光学图画变换为电信号“图画”，即电荷量与当地照度大致成正比的巨细不等的电荷包空间散布，然后运用移位存放功用将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，构成起伏不等的实时脉冲序列。其间光电变换功用的物理根底是半导体的光吸收。当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一有些被反射，另一有些透射，其余有些被半导体吸收。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进程。咱们这里即将涉及到的是价带电子跳过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺点周围的捆绑电子到导带的跃迁。他们别离称为本征吸收和非本征吸收。CCD运用处于外表深耗尽状况的一系列MOS电容器搜集光发生的少量载流子。这些搜集势阱是彼此阻隔的。由此可见，光变换成电的进程实际上还包含对空间接连的光强散布进行空间上别离的采样进程。别的，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联系正是CCD检测器用于对光信号作定量分析的根据。搬运到CCD输出端的信号电荷在输出电路上完成电荷/电压的线性变换，称之为电荷检测。从运用视点对电荷检测提出的需求是检测的线性、检测的增益和检测导致的噪声。对于不一样的运用需求，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散布浮置栅放大器的输出电路。