2010.5.25 CCD的工作原理及其光譜特性

1 CCD的基本工作原理

CCD（Charged Coupled Device，電荷耦合器件）是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。它的突出特點是以電荷作為信號，實現電荷的存儲和電荷的轉移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。以下將分別從這幾個方面討論CCD器件的基本工作原理。

1.1 MOS電容器
CCD是一種固態檢測器，由多個光敏像元組成，其中每一個光敏像元就是一個MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器。但工作原理與MOS晶體管不同。
CCD中的MOS電容器的形成方法是這樣的：在P型或N型單晶硅的襯底上用氧化的辦法生成一層厚度約為100～150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電 極，在襯底和電極間加上一個偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個MOS電容器。
CCD一般是以P型硅為襯底，在這種P型硅襯底中，多數載流子是空穴，少數載流子是電子。在電極施加柵極電壓VG之前，空穴的分布是均勻的，當電極相對于襯底施加正柵壓VG時，在電極下的空穴被排斥，產生耗盡層，當柵壓繼續增加，耗盡層將進一步向半導體內延伸，這一耗盡層對于帶負電荷的電子而言是一個勢能特別低的區域，因此也叫做“勢阱”。
在耗盡狀態時，耗盡區電子和空穴濃度與受主濃度相比是可以忽略不計的，但如正柵壓VG進一步增加，界面上的電子濃度將隨著表面勢成指數地增長，而表面勢又是隨耗盡層寬度成平方率增加的。這樣隨著表面電勢的進一步增加，在界面上的電子層形成反型層。而一旦出現反型層，MOS就認為處于反型狀態。顯然，反型層中電子的增加和因柵壓的增加的正電荷相平衡，因此耗盡層的寬度幾乎不變。反型層的電子來自耗盡層的電子—空穴對的熱產生過程。對于經過很好處理的半導體材料，這種產生過程是非常緩慢的。因此在加有直流電壓的金屬板上疊加小的交流信號時，反型層中電子數目不會因疊有交流信號而變化。

1.2 電荷存儲
當一束光投射到MOS電容器上時，光子透過金屬電極和氧化層，進入Si襯底，襯底每吸收一個光子，就會產生一個電子—空穴對，其中的電子被吸引到電荷反型區存儲。從而表明了CCD存儲電荷的功能。一個CCD檢測像元的電荷存儲容量決定于反型區的大小，而反型區的大小又取決于電極的大小、柵極電壓、絕緣層的材料和厚度、半導體材料的導電性和厚度等一些因素。
Si-SiO2的表面電勢VS與存儲電荷QS的關系。曲線的直線性好，說明兩者之間有良好的反比例線性關系，這種線性關系很容易用半導體物理中“勢阱”的概念來描述。電子所以被加有柵極電壓VG的MOS結構吸引到Si-SiO2的交接面處，是因為那里的勢能低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與電極電壓的關系恰如表面勢VS與電荷QS的線性關系。反型層電荷填充勢阱時，表面勢收縮。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，此時表面勢下降到不再束縛多余的電子，電子將產生“溢出”現象。

1.3 電荷轉移
為了便于理解在CCD中勢阱電荷如何從一個位置移到另一個位置，取CCD中四個彼此靠得很近的電極來觀察。
假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第二個電極下面的深勢阱里，其他電極上均加有大于域值電壓的較低電壓（例如2V）。為零時刻（初始時刻），過t1時刻后，各電極上的電壓變，第二個電極仍保持為10V，第三個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊（間隔只有幾微米），他們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第二個電極 下的電荷變為這兩個電極下的勢阱所共有。若此后電極上的電壓變為，第二個電極電壓由10V變為2V，第三個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉移到第三個電極下面的勢阱中。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。
通過將一定規則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。CCD的內部結構決定了使其正常工作所需的相數。
這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合（傳輸）方式必須在三相交迭脈沖的作用下才能以一定的方向，逐個單元的轉移。另外必須強調指出的是，CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極下轉移到相鄰電極下。這對于圖3—4所示的電極結構是一個關鍵問題。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個電極向另一個電極轉移。CCD便不能在外部時鐘脈沖的作用下正常工作。

1.4 電荷的注入和檢測
CCD中的信號電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。光注入就是當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內產生電子—空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。而所謂電注入，就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。在此僅討論與本課題有關的光注入法。
CCD利用光電轉換功能將投射到CCD上面的光學圖像轉換為電信號“圖像”，即電荷量與當地照度大致成正比的大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存功能將這些電荷包“自掃描”到同一個輸出端，形成幅度不等的實時脈沖序列。其中光電轉換功能的物理基礎是半導體的光吸收。
當電磁輻射投射到半導體上面時，電磁輻射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半導體吸收。所謂半導體光吸收，就是電子吸收光子并從一個能態躍遷到另一個較高能級的過程。我們這里將要涉及到的是價帶電子越過禁帶到導帶的躍遷，和局域雜質或缺陷周圍的束縛電子（或空穴）到導帶（獲價帶）的躍遷。他們分別稱為本征吸收和非本征吸收。CCD利用處于表面深耗盡狀態的一系列MOS電容器（稱為感光單元或光敏單元）收集光產生的少數載流子。這些收集勢阱是相互隔離的。由此可見，光轉換成電的過程實際上還包括對空間連續的光強分布進行空間上分離的采樣過程。
另外，襯底每吸收一個光子，反型區中就多一個電子，這種光子數目與存儲電荷的定量關系正是CCD檢測器用于對光信號作定量分析的依據。
轉移到CCD輸出端的信號電荷在輸出電路上實現電荷/電壓（電流）的線性變換，稱之為電荷檢測。從應用角度對電荷檢測提出的要求是檢測的線性、檢測的增益和檢測引起的噪聲。針對不同的使用要求，有幾種常用的檢測電路，如柵電容電荷積分器、差動電路積分器以及帶浮置柵和分布浮置柵放大器的輸出電路。這里就不一一敘述了。

2 CCD的光譜分析特性
2.1 電荷轉移效率（CTE）
CCD以電荷作為信號，所以電荷信號的轉移效率就成為其重要的性能之一。把一次轉移之后，到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為電荷轉移效率。好的CCD具有極高的電荷轉移效率，一般可達0.999995，所以電荷在多次轉移過程中的損失可以忽略不計。例如，一個有2048像元的CCD，其信號電荷的總的電荷轉移效率為0.9999952048，即0.9898，損失率只有約0.1%。

2.2 量子效率（QE）
典型的PMT（光電倍增管）、PDA（光電二極管陣列）、CID（電荷注入器件）和CCD的量子效率。可見，CCD的量子效率大大優于PDA和CID，在400～700nm波段優于PMT。但是，不同廠商制造的CCD在幾何尺寸、制造方法、材料上有所不同，結果它們的QE差別較大。如有的CCD只在350～900nm波段的QE達10% 以上，有的CCD在200～1000nm波段都有很高的量子效率。造成QE下降的主要原因是CCD結構中的多晶硅電極或絕緣層把光子吸收了，尤其是對紫外部分的光吸收較多，這部分光子不產生光生電荷。許多線陣CCD對紫外光的響應較差就是這個原因。采用化學蝕刻將硅片減薄和背部照射方式，可以減少由吸收導致的量子效率損失。背部照射減薄的CCD在真空紫外區的工作極限可達1000。

2.3 暗電流
CCD在低溫工作時，暗電流非常低，暗電流是由熱生電荷載流子引起的，冷卻會使熱生電荷的生成速率大為降低。但是CCD的冷卻溫度不能太低，因為光生電荷從各檢測元遷移到放大器的輸出節點的能力隨溫度的下降而降低。制冷到150°K的CCD暗電流小于0.001個電子╱檢測元╱秒。

2.4 動態范圍
動態范圍DR的定義為：
其中VSAT為飽和輸出電壓，VDRK為有效像元的平均暗電流輸出電壓。在正常工作條件下，CCD檢測器的所有像元經歷同時曝光，表示的是單個檢測像元的動態范圍，即簡單動態范圍。CCD的簡單動態范圍非常大，寬達10個數量級。以7500的紅光光子為例，CCD可在1毫秒積分時間內對光強達每秒5×109個光子的光束響應。可以對每秒7×10-2個光子的光源響應。而且在整個動態范圍響應內，都能保持線性響應。這一特性對光譜的定量分析具有特別的意義。
但在一些光譜分析中，如AES（原子發射光譜）中，實際的動態范圍達不到那么大的值。一種擴展CCD動態范圍的方法是根據光的強弱改變每次測量的積分時間。強信號采用短的積分時間，弱信號采用長的積分時間。這種方法測量強信號旁的弱信號非常不利，存在Blooming（溢出）的問題，特別是對于AES。通過改進CCD制作工藝生產出來的性能的CCD已在不同程度上解決了這個問題。

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