CCD的结构、工作原理和制造方法

CCD结构和工作原理

CCD每个像素是一个金属-氧化物-半导体（Metal-Oxidation-Semiconductor, MOS）单元，按制造方法大体上可分为：

l  表面沟道电荷耦合器件（SCCD – Surface-channel Charge-Coupled Device）

l  隐埋通道电荷耦合器件（BCCD – Buried Channel Charge-Coupled Device）

制造方法

表面沟道CCD制造方法：在P型或N型单晶硅衬底上，用氧化方法生成一层厚度约为100~150nm的SiO₂绝缘层，再在SiO₂表面上按一定层次镀一层金属Metal或多晶硅Polysilicon，并引出电极，称为栅极Gate。衬底上也引出电极。栅极是分立的，氧化物和半导体是连续的。

隐埋通道CCD制造方法：只是在P-Si衬底和SiO2之间上增加了一层n-型区（~1μm）。

面阵CCD还要在每列像素之间加上沟阻，示意图如下（注意，只是为了说明，未按比例绘制）：

以上只是示意图，为了便于说明。实际的栅极电极形状和水平移位寄存器的布局可能不同。下面是一种实际的形状结构：

表面沟道CCD工作原理：

1.         势阱的形成

a.         在栅极和衬底之间加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的

b.         当栅极施加较小正电压U_G时，在电场的作用下，栅极下P-Si中的空穴（多数载流子）在电场的作用下，向衬底移动，金属氧化层和P-Si界面下只留下不能移动的带负电原子，形成耗尽区。

c.         耗尽区对电子来说，是一个势能很低的区域，若注入电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区，由于绝缘层和电场的存在，注入的电子会被束缚在这个区域内，实现电荷的储存。这个区域就称为势阱。

d.         当U_G大于某个阀值U_th时，电场强度高到足以将半导体内电子（少子）也吸引到SiO₂和P-Si界面附件，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层（沟道），即深度耗尽状态。

当U_G>0时，如有自由电子进入势阱，耗尽层高度和电势随电子数量的增加而减小，使电场变弱，势阱变浅，当电子数量达到一定程度，电场不足以束缚电子，因此势阱的电子容量是有限的，这个容量就是CCD的关键参数：像素满井容量。

像素满井容量（Full-Well Capacity）

对科学级相机，一般为数百个ke。

满井容量与栅极电压U_G、绝缘层电容C_ox、栅极面积A_d和P-Si掺杂浓度相关：Q=C_ox×U_G×A_d

Greateyes内真空相机 GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素满井容量为500ke。满井容量高，则动态范围大。

1.         电子的产生

l  光子进入衬底时，会因光电效应产生电子-空穴对，电子因电场的存在，被吸入势阱，被储存起来，而空穴则被排斥到半导体衬底的底部。一个势阱收集到的若干个光子产生的电荷称为一个电荷包。

光电子的数量与光子的能量、光强和照射时间成正比。而同一种材料对不同波长的光的吸收不一样，不同波长的光穿透能力不同，因此，不同能量，也即不同波长的光子产生的光电子数量不同。光电子数量与光波长的相关性的性能指标是量子效率。

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