1、電荷耦合器件的工作原理及其最新成果一、CCD®件的工作原理及性能指標電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）是70年代初期域先由Bell實驗室發明的。CCD是種利用半導體特性，將 接收到的光信號變為電信號的半導體功能器件，一般采用金屈氧化物半導體結 構，利用柵電極卜半導體表而附近的勢壘中的電荷來存儲和傳輸信息。CCD器件 以極高的靈敏度、極大的動態范圍和寬廣的光譜響應范圍等特別引人注目。30年來有關CCD的研究取得驚人的進展，特別是在圖像傳感器的應用方面，它可 以接收的光的波段比較寬，從200nm的紫外光到llOOnm的紅外光，覆蓋了全部可 見光譜區，并且靈敏度啟j,動

2、態范圍寬，在弱光條件下仍可正常記錄圖像（在 天文望遠鏡里,由于大部分天體距離太遠，能收集到的光非常弱,更需要靈敏 的接收器），響應速度快（信息的存取速度快），可以記錄和傳輸瞬態圖像和 隨時間快速變化圖像：增強mCCD （ICCD）有更快的響應速度，可以處理持續時 間更短的瞬態圖像。CCD擁有大最的像元（4095X4096而陣），因此可以作為大 容量存儲器；CCD空間分辨率高，可滿足攝像機、照相機、掃描儀、天文望遠鏡 和光譜儀等設備對圖像傳感器的要求。（一）CCD器件的工作原理CCD器件的基本陣元是金屬-氧化物-半導體（Met al -Oxide-Semi conductor）電容。如圖1所示,

3、任P型硅襯底上覆蓋二氧化硅絕緣層，其上制備一金屬電極，這就構成了金屈- 氧化物-半導體（MOS）電容.MOS陣元在Vg二0時，其p型半導體中的多數載流子（空穴）的分 布是均勻的。當0<VG<Vth（Vth是半導體材料的閾值電壓）時，空穴被排斥，產生 耗盡層。隨著Vg的升高，耗盡層向體內擴張。而當Vg>V“時，半導體與氧化物界 而的電勢使體內少數載流子（電子）聚集形成約i（r2/的的反型層，其電荷密度極高。這說明MOS陣元具有枳累電荷的能力。光栓入金廣桶圖1 MOS電容MOS陣元在金屬柵與硅襯底之間加有偏床Vg時形成勢阱。為光照射到硅片時 ,光子的注入引起電子-空穴對的形成。多

4、數載流子（空穴）被柵極排斥，而少數載流子（電子）則積累于 勢阱中。積累的電荷最世比照射強度。0<Vg<V*Vo>v圖2柵極電爪變化對耗盡層的影響光注入引起的電荷積累總最Qip可由下式表述Qip =恥哄曲式中為材料的量子效率，q為電子電量，心“入射光子流速率，A為受光面積和，7；為注入時間。這說明對選定的受光而積A，光注入引起的電 荷積累和入射光強與照射時間的乘積成正比。這一結果與照相底板的特性非常 相似。£Vx 叭 Vt圖3電荷在相鄰的MOS單元中遷移示意圖CCD器件有線陣和而陣兩種。顧名思義一維排列的MOS陣元構成線陣CCD,常 見的有256, 512, 1024

5、, 2048, 4096等。而面陣CCD顯而易見是矩陣排列的M0S 陣元族。如512X512, 1024X1024 等。對CCD器件而言，檢測各個M0S陣元所積累的電荷(Readout)是關鍵技術。圖3示出三相驅動的電荷傳輸過程。假定VI所連接的電極下積 累有電荷，此時V2, V3均為“負”極性。首先V2由負跳變為正，原先積累丁-VI 下的電荷部分向V2下勢阱轉移，為兩個M0S陣元所共有。隨之VI的極性變為負， 電荷全部移到V2下的勢阱中。再往后V3由負變為正，電荷變為V2, V3下的M0S陣 元所共有。如此不斷的進行直到陣列的邊緣，饋送至輸出電路形成輸出信號。 而陣CCD器件的電荷讀出將按一

6、列列的順序進行。圖4列舉了一典型的應用框圖.CCD器件前應有光學系統以獲取圖像.圖4典熨的CCD器件應用框圖（二）CCD器件的主要性能指標1、CCD的幅度和分辨率CCD列陣的每個陣元的尺寸約6. 822. 5/加之間。胳個CCD的尺寸決定于可 能制出晶片的大小。用單晶硅制成的CCD般大有9kX9k個陣元，每個陣元的邊長 為12/o CCD的空間分辨率一般應為12個陣元，但有時相鄰陣元之間有電荷 溢出將會降低其分辨率，致使成像模糊。2、Si子效率和光譜響應探測器的帚:子效率是指入射光所感生的光電子數帚:與入射光子數帚之比，并不是每一個入射光子都能在CCD中產生一個電子-空穴對，量子效率總是小丁

7、1。對不同入射光波有不同的最子效率，這就是探測 器的光譜響應。從理論上，其長波限是由硅材料的禁帶寬度決定，其響應波長 不應大TlOSOnmo在短波方而，可在入射表而涂以磷光層。從而把短波光線轉 換成可見光。CCD器件有正而光照與背而光照兩種類熨。圖5是兩種類型CCD的光 譜響應曲線。xfff圖5兩種類型CCD的光譜響應曲線3、噪聲-暗電荷及讀出噪聲“暗電荷”或“暗電流”是由熱效應產生的電荷。消減賠電荷的方法是冷 卻探測器，冷卻溫度越低，其暗電流也越少。因此在討論暗電荷這一指標時應 說明其環境溫度。一般是用在某一溫度下，每秒（其至是每小時）每個陣元所產 生的電子數衡量暗電荷的多少。好的CCD在液

8、氮溫度下的暗電荷可以減少到每小 時每個陣元產生一個電子以下的暗電荷。MPP（Multipinned- phase）技術可更為有效地抑制暗電荷，它是在硅層中摻雜一定最的硼，而對各 個柵極的時鐘相位（ClockPhases）加以適當的偏丿七，把勢阱中的暗電荷驅趕出去。圖6 是采用MPP技術與不用MPP的結果對比。圖6暗電荷（電子數/（陣元秒）與環境溫度（°C）的關系讀出噪聲與CCD陣元的讀出速率以及驅動電路的質暈有關。陣元的讀出速率 越慢，其讀出噪聲也越小。一般的CCD,只有當陣元的讀出速率在100kHz以下時 ，它的讀出噪聲才能維持在低噪聲水平（即在10個電子以下）。4、動態范圍動態范

9、I罰是指CCD列陣格體接受信號時。能檢測出的最強信號和最弱信號之 比。目前CCD的最大動態范圍可達到ISbito即最強倍號和最弱信號之比可達到(218:1) o5、信號響應的線性一般是用在某一動態范I韋I內響應的非線性表示。高性能CCD當其動態范闌為1214bit時，其非線性響應不大Tl%o二、CCD器件應用的最新成果隨著CCD器件的迅速發展和對其研究的不斷深入，CCD的應用達到了十分廣 泛的范圍。伴隨高速、高m.高靈敏度的CCD成像裝置不斷涌現，CCD成像在 民用軍事、T.業技術和科研教育等領域中發揮著越來越車要的作用。(一) CCD在軍審領域的運用軍事領域，CCD相機主耍用丁戰機、艦船和坦

10、克等武器裝備的圖像探測部件,可見光CCD相機主要為偵察、制導、預警、瞄準等武器系統提供島清晰度、高 分辨率的圖像，并通過高速實時監控等技術，反饋回戰斗信息，從而提高部隊 作戰和反應能力。在非可見光成像領域，如X射線成像、紅外線成像、紫外線成 像等領域的應用也越來越廣，X射線CCD是專門用丁探測X射線的光電器件，CCD 對X射線的靈敏度比X射線膠片高200-1000倍，即使非常微弱的X射線圖像也能拍攝到，軍事方面的非可見光成像主要 應用丁夜視等。(二) CCD在工業領域的運用工業領域應用工耍用丁工業方而的機器人視賈、熱影分析、安全監視、工 業監控等。一些匸業領域的應用，與消費者DSC領域運用有相

11、似之處，但對于一 些專業匚業領域和許多科技性的領域，傳感器要求的條件不同J：主流CCD發展， 需耍設計出特殊的CCD以滿足特殊的需求。1、線掃描傳感器。用r匸業檢測，通常行掃描傳感器被用于如在傳送帶上 移動的物品的檢測。行掃描傳感器已經達到每5pm, 12000像索和禹達320MHz數 據速率，現在的彩色逐行掃描傳感器運用的越來越廣泛。2、TDI 圖像傳感器。時間延遲積分CCD (Time Delay andlntegrat ion, CCD- TDI-CCD)陣列是匸作在TDI模式的高速CCD成像器件，主要應用于極低光照下的匸業 在線檢測、非接觸式測溫、圖形識別和其他要求高速成像的場合。TD

12、I-CCD是一種特殊的CCD器件，TDI是一種掃描方式，它是一項能夠增加線掃描傳感 器靈敏度的技術。TDI的信號輸出具有12, 24, 48, 96條積分線和一條水平1024 ,2048像索。在橫向與縱向方向上，具有時間脈沖保持和圖像運動同步，累積 起來的電荷包（成像數據信息）再轉移到ccD水平讀出寄心器輸出。3、虛相圖像傳感器。虛相 C CD （Virtual Phase chargeCoupledDevice, VP-CCD）的研究主耍是為了解決大面積CCD成品率低并且價格昂貴的問題。廣播電視 以及某些科學應用要求兒十萬或更高分辨率的大面積CCD,對于面積達到或超過 大規模集成電路的芯片，

13、薄膜氧化和交迭柵往往成為阻礙成品率提高的關鍵。 而虛相CCD可以解決或減輕許多藝上的難題。美國得克薩斯儀器公司研制了一 種VPCCD,其結構和普通的兩相CCD相同，VPCCD中用所謂的虛相電極代替一組柵，消 除了柵極間的短路問題，大大提高了成品率，并且由丁不再被第二層柵極吸收 ,所以VPCCD的藍光響應有明顯的改善。（三）CCD成像的發展與挑戰CCD是由美國貝爾實驗室的WS. Boyle和GE. Smith在1970年前后發明, 30多年來，CCD的研究取得了驚人的進步，特別是在像感器應用方而發展迅速， 己成為現代光電子學和現代測最技術中最活躍、繪富有成果的新興領域之一， 汽被普遍認為是20時

14、紀70年代以來出現的星亟要的半導體器件之一。科技的發 展以及特別的需求，使得CCD成像傳感器，未來主要關注以下兒個方面。1、尺寸和分辨率最大的CCD包括一個完整的6” CCD晶片，已經報道的CCD,已達12X12血 大小尺J7168X8192像素,和8. 75X8. 75/2/1?2尺寸9216X9216像素，口本采用拼接技術開發成功了 16384X16384的CC D圖像傳感器。CCD器件的小型化和微型化，使CCD傳感器在視頻影相機以外的應 用顯箸增多。目前CCD開發己轉向大面陣、小像元、紫外光譜響應等多方面，以 能夠適應數字照相機、數字攝像機、掃描儀以及其它科學領域的需求。2、提高CCD光譜響應能力一般CCD在紫外區的最子效應較低，這是由CCD表而多晶硅電極吸收了紫 外光緣故，目前主耍采用三種增加光譜響應度的方法：一是將整個CCD器件減薄 :二是用熒光材料對器件表而進行敷涂，使短波段的光子被涂層中熒光物質吸 收后在可見光波段被亜新發射；三是采用有效的相位技術，用離子擴散面代替 多硅柵來維持所需勢阱。3、降低測最噪聲和讀出時間目前已經有許多技術用以降低CCD的讀出噪聲速度，如采用亜新分級讀出模 式，重新分級是在傳輸所有電荷之前將包含在檢測器中多路像素內的電荷進行 整合的過程。另外還有利用雙溝道設計使CCD兩邊同時讀出信號，提高讀出速度O4、高速圖像捕獲島