CCD地基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案少數(shù)載波于(b)CCD勺基本結(jié)構(gòu)和工作原理電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)。CCD勺基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCDU乍過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCDW兩種基本類(lèi)型：一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類(lèi)器件稱(chēng)為表面溝道 CCD（簡(jiǎn)稱(chēng)SCCD;二是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)， 并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類(lèi)器件稱(chēng)為體溝道或埋溝道器件（簡(jiǎn)稱(chēng)BCCD。下面以SCC的主討論CCD勺基本工作原理。1.CCD的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成CCD勺基本單元是 MO-金屬一氧化物一半導(dǎo)

2、體）結(jié)構(gòu)。如圖 2-7（a）所示，它是在 p型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000?1500?的SiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層（多晶硅），在襯底和金屬電極間加上1個(gè)偏置電壓，就構(gòu)成 1個(gè)MOSt容器。當(dāng)有1束光線投射到 MO池容器上時(shí)，光子穿過(guò)透明電極及氧化層，進(jìn)入 p型Si襯底，襯 底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷形成電子一空穴對(duì)，電子一空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下，分別向電極的兩端移動(dòng)， 這就是信號(hào)電荷。這些信號(hào)電荷存儲(chǔ)在由電極組成的“勢(shì)阱”中。如圖 1所示。界|一|信號(hào)電荷!口|叵9夕殳攵且回 勢(shì)防(a)圖1 CCD的基本單元2

3、 .電荷存儲(chǔ)如圖2 （a）所示，在柵極 G施加正偏壓Ug之前，p型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分 布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓UG （此時(shí)UG小于p型半導(dǎo)體的閾值電壓 Uh）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖 2 （b）所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸。當(dāng) 仕Uh時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)（常稱(chēng)為表面勢(shì)，用 s表示）變得如此之高，以致 于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成一層極薄的（約10-2Wm）電荷濃度很高的反型層，如圖 2 （c）所示。反型層電荷的存在表明了MOS吉構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。然而，當(dāng)柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時(shí)，輕摻雜半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子很少

4、，不能立即建立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向體內(nèi)延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮， 表面勢(shì)下降，氧化層上的電壓增加。 當(dāng)提供足夠的少數(shù)載流子時(shí)，表面勢(shì)可降低到半導(dǎo)體材料費(fèi)密能級(jí)f的兩倍。例如，對(duì)于摻雜為1015cm3的p型半導(dǎo)體，費(fèi)密能級(jí)為 0.3V。耗盡區(qū)收縮到最小時(shí)，表面勢(shì)s下降到最低值0.6V,其余電壓降在氧化層上。耗盡區(qū) (b)圖2 單個(gè)CCD柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響(a)柵極電壓為零；(b)柵極電壓小于閾值電壓；(c)柵極電壓大于閾值電壓表面勢(shì)S隨反型層電荷濃度 Qnv、柵極電壓UG的變化如圖3和

5、圖4所示。圖3中的曲 線表示的是在摻雜為 1021cm3的情況下，對(duì)于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時(shí)，表 面勢(shì)s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。圖4為柵極電壓不變的情況下，表面勢(shì)s與反型層電荷濃度Qnv的關(guān)系曲線。5.0V01000 2000 3000 4W 54100文檔圖4表面勢(shì)s與反型層電荷 密度Qinv的關(guān)系圖3表面勢(shì)與柵極電壓Ug的關(guān)系(p型硅雜質(zhì)濃度Na= 1021cm 3,反型層電荷Qinv = °)曲線的直線性好，說(shuō)明表面勢(shì)S與反型層電荷濃度 Qnv有著良好的反比例線性關(guān)系。這種線性關(guān)系很容易用半導(dǎo)體物理中的“勢(shì)阱”概念描述。電子所以被加有柵極電壓 UG的MOS結(jié)構(gòu)吸

6、引到氧化層與半導(dǎo)體的交界面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。 在沒(méi)有反型層電荷時(shí)， 勢(shì)阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如s與UG的線性關(guān)系，如圖 5(a)空勢(shì)阱的情況。圖5(b)為反型層電荷填充 1/3勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮，表面勢(shì)s與反型層電荷濃度 Qnv間的關(guān)系如圖2-10所示。當(dāng)反型層電荷足夠多，使勢(shì)阱被填滿時(shí)， s降到2f。此時(shí)，表面勢(shì)不 再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。這樣，表面勢(shì)可作為勢(shì)阱深度的量度，而表 面勢(shì)又與柵極電壓 U、氧化層的厚度dox有關(guān)，即與MOSfe容容量 Gx與仕的乘積有關(guān)。勢(shì)阱 的橫截面積取決于柵極電極的面積A MOSt容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量Q =CoxUg a圖

7、5 勢(shì)阱(a)空勢(shì)阱；(b)填充1/3的勢(shì)阱；(c)全滿勢(shì)阱3 .電荷耦合圖6表示一個(gè)三相CCM電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程。(d)(e)(f)圖2-12 三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程 (a)初始狀態(tài)；(b)電荷由電極向電極轉(zhuǎn)移；(c)電荷在、電極下均勻分布；(d)電荷繼續(xù)由電極向電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到電極； 三相交疊脈沖假定開(kāi)始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為10V的第一個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極均加有大于閾值的較低電壓(例如2V)。設(shè)圖6(a)為零時(shí)刻(初始時(shí)刻)。經(jīng)過(guò)ti時(shí)刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D 6(b)所示，第一個(gè)電極仍保持為10V,第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V,因?yàn)檫@兩個(gè)電極靠得很緊

8、(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起，原來(lái)在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有，如圖6(b)和圖6(c)。若此后電極上的電壓變?yōu)槿鐖D 6(d)所示，第一個(gè)電極電壓由 10V變?yōu)?V,第二個(gè)電極電壓仍為10V,則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下面的勢(shì)阱中，如圖 6(e)。由此可見(jiàn)，深勢(shì)阱及電荷包向 右移動(dòng)了一個(gè)位置。通過(guò)將一定規(guī)則變化的電壓加到CC陷電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把 CCDt極分為幾組，每一組稱(chēng)為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需要的相數(shù)。圖所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，其波形圖如圖6（f）所示，這樣的

9、CC麗為三相CCD三相CCD勺電荷耦合（傳輸）方式必須在三相交疊 脈沖的作用下，才能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。電極結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是 CCD電極間隙。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢(shì)阱 將被勢(shì)壘隔開(kāi)，不能合并，電荷也不能從一個(gè)電極向另一個(gè)電極完全轉(zhuǎn)移，CCDB不能在外部脈沖作用下正常工作。能夠產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)、表面態(tài)密度等因素決定。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，為了不使電極間隙下方界面處出現(xiàn)阻礙電荷轉(zhuǎn)移的勢(shì) 壘，間隙的長(zhǎng)度應(yīng)小于 3pm。這大致是同樣條件下半導(dǎo)體表面深耗盡區(qū)寬度的尺寸。如果 氧化層厚度、表面態(tài)密度不同，結(jié)果也會(huì)不同。但對(duì)絕大多數(shù)CCD 1 m的間隙長(zhǎng)度是

10、足夠小的。4 .電荷的注入和檢測(cè)4.1 電荷的注入1 .光注入當(dāng)硅照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，其多數(shù)載流子圖7背面照射式光注入CC期阱中的信號(hào)電荷只與入射輻射的被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形 成信號(hào)電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背 面照射式。圖7所示為背面照射式光注入的示意圖。CC勰像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷Qip = q neoATc（2）式中：刀為材料的量子效率；q為電子電荷量；A neo 為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；Tc為光注入時(shí)間。由式（2）可以看出，當(dāng) CCDt定以后，刀、q及A均為常數(shù)，注入到勢(shì)阱

11、中的信號(hào)電荷 Qp與入射光 的光子流速率A neo及注入時(shí)間Tc成正比。注入時(shí)間Tc由CCDB動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖的周期 Tsh決定。當(dāng)所設(shè) 計(jì)的驅(qū)動(dòng)器能夠保證其注入時(shí)間穩(wěn)定不變時(shí)，注入到 光子流速率A neo成正比。在單色入射輻射時(shí)，入射光的光子流速率與入射光譜輻通量的關(guān)系為Ane, = e，" h、八入均為常數(shù)。因此，在這種情況下，光注入的電荷量與入射的 h 光譜輻亮度e入成線性關(guān)系。2 .電注入所謂電注入就是 CCD!過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。電注入的方法很多，這里僅介紹兩種常用的電流注入法和電壓注入法。1）電流注入法如圖8（a）所示，由

12、n+擴(kuò)散區(qū)和p型襯底構(gòu)成注入二極管。IG為CCD的輸入柵，其上加 適當(dāng)?shù)恼珘阂员３珠_(kāi)啟并作為基準(zhǔn)電壓。模擬輸入信號(hào)Un加在輸入二級(jí)管ID上。當(dāng)2為高電平時(shí)，可將 n+區(qū)（ID極）看作MOSI1體管的源極，IG為其柵極，而2為其漏極。 當(dāng)它工作在飽和區(qū)時(shí)，輸入柵下溝道電流為實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案W COX2Is = 口(Uin -Uig -Uth)2(2-6)LG2式中：W為信號(hào)溝道寬度；Lg為注入柵IG的長(zhǎng)度；科是載流子表面遷移率；Cox為IG柵電容。經(jīng)過(guò)Tc時(shí)間注入后，2下勢(shì)阱的信號(hào)電荷量W COx匚方(U IN、2_U ig 'U th) Tc(2-7)可見(jiàn)這種注入方式的信號(hào)電荷Q不僅依賴(lài)

13、于Un和Tc,而且與輸入二極管所加偏壓的大小有關(guān)。因此，QS與Un的線性關(guān)系很差。IC %也/叫g(shù) a.由也a力.馬(«)圖8 電注入方式(a)電流注入法；(b)電壓注入法2)電壓注入法如圖8(b)所示，電壓注入法與電流注入法類(lèi)似，也是把信號(hào)加到源極擴(kuò)散區(qū)上，所不同的是輸入IG電極上加有與2同位相的選通脈沖，但其寬度小于2的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵2下的勢(shì)阱里，直到勢(shì)阱的電位與n+區(qū)的電位相等時(shí)，注入電荷才停止。2下勢(shì)阱中的電荷向下一級(jí)轉(zhuǎn)移之前，由于選通脈沖已經(jīng)終止，輸入柵下的勢(shì)壘開(kāi)始把2下和n+的勢(shì)阱分開(kāi)，同 時(shí)，留在IG下的電荷被擠到2和n+的勢(shì)阱中。

14、由此而引起起伏，不僅產(chǎn)生輸入噪聲，而且使信 號(hào)電荷Q與Ud線形關(guān)系變壞。這種起伏，可以 通過(guò)減小IG電極的面積來(lái)克服。另外，選通脈 沖的截止速度減慢也能減小這種起伏。電壓注入法的電荷注入量 Q與時(shí)鐘脈沖頻率無(wú)關(guān)。4.2 電荷的檢測(cè)(輸出方式)在CC計(jì)，信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中與時(shí)鐘脈 沖沒(méi)有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。 因此，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能地減小時(shí) 鐘脈沖容性地饋入輸出電路的程度。目前， CCD 的輸出方式主要有電流輸出、 浮置擴(kuò)散放大器輸 出和浮置柵放大器輸出。1 .電流輸出如圖9(a)所示，當(dāng)信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的 驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移到末極電極(圖中2電極)下文檔圖9電荷輸出電

15、路實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案的勢(shì)阱中后，2電極上的電壓由高變低時(shí)，由于勢(shì)阱提高，信號(hào)電荷將通過(guò)輸出柵(加有恒定的電壓)下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管(圖中 n+區(qū))。由Ud、電阻R襯底p和n+區(qū) 構(gòu)成的反向偏置二極管相當(dāng)于無(wú)限深的勢(shì)阱。進(jìn)入到反向偏置二極管中的電荷，將產(chǎn)生輸出電流Id,且Id的大小與注入到二極管中的信號(hào)電荷量成正比，而與電阻R成反比。電阻 R是制作在CCD內(nèi)的電阻，阻值是常數(shù)。所以，輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量成線性關(guān)系，且Qs=kdt 由于Id的存在，使得A點(diǎn)的電位發(fā)生變化，Id增大，A點(diǎn)電位降低。所以可以用 A點(diǎn)的 電位來(lái)檢測(cè)二極管的輸出電流Id,用隔直電容將 A點(diǎn)的電位變化取出，

16、再通過(guò)放大器輸出。圖中的場(chǎng)效應(yīng)管 Tr為復(fù)位管。它的主要作用是將一個(gè)獨(dú)處周期內(nèi)輸出二極管沒(méi)有來(lái)得 及輸出的信號(hào)電荷通過(guò)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)輸出。因?yàn)樵趶?fù)位場(chǎng)效應(yīng)管復(fù)位柵為正脈沖時(shí)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，它的動(dòng)態(tài)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偏置電阻R,使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使 A點(diǎn)的電位恢復(fù)到起始的高電平。2 .浮置擴(kuò)散放大器輸出由圖9(b)所示，前置放大器與 CCD同做在一個(gè)硅片上， 為復(fù)位管，T2為放大管。復(fù) 位管在2下的勢(shì)阱未形成之前，在RG端加復(fù)位脈沖r,使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴(kuò)散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到 UU而當(dāng)電荷到來(lái)時(shí)，復(fù)位管截止，由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)電荷來(lái) 控制T2管柵極電位變化。設(shè)電位變化量為AUI,

17、則有(4)QsCfd式中：Gd是與浮置擴(kuò)散區(qū)有關(guān)的總電容。如圖10所示，總電容包括浮置二極管勢(shì)壘電容Cd和OG DGW FD間的耦合電容 C、Q,及T管的輸入電容 G,即Cfd 七 & C2 Cg經(jīng)放大器放大KV倍后，輸出的信號(hào)Uo =Kv ：U(6)以上兩種輸出機(jī)構(gòu)均為破壞性的一次性輸出。圖10浮置擴(kuò)散區(qū)FD的等效電容文檔3 .浮置柵放大器輸出圖9(c)所示，T2的柵極不是直接與信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時(shí)，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來(lái)控制T2的柵極電位，以達(dá)到信號(hào)檢測(cè)與放大的目的。顯然，這種如圖2-17所示的機(jī)構(gòu)可以實(shí)

18、現(xiàn)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中進(jìn)行非破壞性檢測(cè)，由轉(zhuǎn)移到2下的電荷所引起的浮置柵上電壓的變化為-U FGQsCd八八八八八(Cj C2 Cg) (C ；2 Cg)式中：C為FG與2間氧化層電容。UFg可以通過(guò)MOS!體管圖11繪出了浮置柵放大器的復(fù)位電路及有關(guān)電容分布情況。A T2放大輸出。5 .CCD的基本特性參數(shù)5.1 光電轉(zhuǎn)換特性在CCD中，電荷包是由入射光子被硅襯底吸收產(chǎn)生的少數(shù)載流子形成的，因此，它具 有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子丫可達(dá)到99.7%。5.2 轉(zhuǎn)移效率”和轉(zhuǎn)移損失率£電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCDI生能好壞的重要參數(shù)。一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與 原來(lái)勢(shì)阱中的

19、電荷之比稱(chēng)為轉(zhuǎn)移效率。如在t=0時(shí)，注入到某電極下的電荷為Q(0);在時(shí)間t時(shí)，大多數(shù)電荷在電場(chǎng)作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分電荷由于某種原因留在該電極下。若被留下來(lái)的電荷為Q(t),則轉(zhuǎn)移效率為Q(0)-Q(t)一 Q(0)Q(0)(8)轉(zhuǎn)移損失率為(9)QQ(0)理想情況下刀應(yīng)等于 1,但實(shí)際上電荷在轉(zhuǎn)移中有損失，所以刀總是小于1的(常為0.9999以上)。一個(gè)電荷為 Q(0)的電荷包，經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后，所剩下的電荷Q(n)= Q(0) n(10)n次轉(zhuǎn)移前后電荷量之間的關(guān)系為Q(n) = n(11)Qn) =14%。由Q(0)Q(0)如果刀=0.99 ,經(jīng)24次轉(zhuǎn)移后， Q(n)

20、=78% ,而經(jīng)過(guò)192次轉(zhuǎn)移后,Q(0)此可見(jiàn)，提高轉(zhuǎn)移效率Y是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵。為此，常采用“胖零”工作模式,影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要因素是界面態(tài)對(duì)電荷的俘獲。 即讓“零”信號(hào)也有一定的電荷。5.3 工作頻率f1）工作頻率的下限為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對(duì)注入信號(hào)的干擾，注入電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另 一個(gè)電極所使用的時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命J即t（12）在正常工作條件下，對(duì)于三相CCDt=313f(13)1故f（14）3.2 ）工作頻率的上限 當(dāng)工作頻率升高時(shí)，若電荷本身從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需要的時(shí)間t大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間 T ,那么，信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈

21、沖的變化，將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大3 下降。為此，要求t MT ,即 3f < （15）3t這就是電荷自身的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率上限的限制。由于電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子遷移率、電極長(zhǎng)度、襯底雜質(zhì)濃度和溫度等因素有關(guān)，因此，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，n溝CCD比p溝CCDW工作頻率高。5.4光譜響應(yīng)CCD接受光的方式有正面光照與背面光照兩種。由于CCDW正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射的光譜靈敏度比背面照射時(shí)低，即使是透明的多晶硅電極也會(huì)因?yàn)殡姌O的吸收以及在整個(gè)硅一二氧化硅界面上的多次反射引起某些波長(zhǎng)的光產(chǎn)生干涉 現(xiàn)象，出現(xiàn)若干個(gè)明暗條紋，使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)若干個(gè)峰與谷，即發(fā)生起伏

22、。為此，ICCD常采用背面照射的方法。背面光照方式比正面光照的光譜響應(yīng)要好得多。采用硅襯底的ICCD的光譜響應(yīng)范圍為 0.31.1 m平均量子效率為 25%,絕對(duì)響應(yīng) K為0.10.2（A/W）。另外，讀出結(jié)構(gòu)也可使量子效率再降低一半。例如，在垂直隔列傳輸結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)移溝道必須遮光，以免產(chǎn)生拖影，使量子效率降低。5.5 噪聲和動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍反映了器件的工作范圍，它的數(shù)值可以用輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比表示。動(dòng)態(tài)范圍由勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比決定。 由于CCD的噪聲不斷減小，動(dòng)態(tài)范圍已超過(guò)1000%。下面分別介紹可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲。1 ）勢(shì)阱中的最大

23、信號(hào)電荷量CCD勢(shì)阱中可容納的最大信號(hào)電荷量取決于CCD的電極面積及器件結(jié)構(gòu)（SCCOa是BCCD、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的幅度等因素。Q可近似用下式表示Q=CoxUgA(16)式中：Cox是單位氧化膜面積的電容量；Ug為柵極電壓；A為CCD電極的有效面積。2 ）噪聲在CCD中有以下幾種噪聲源：由于電荷注入器件引起的噪聲；電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中, 電荷量的變化引起的噪聲；由檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。CCD勺平均噪聲值如表1所示，與CCD專(zhuān)感器有關(guān)的噪聲如表 2所示。表1 CCD噪聲噪聲的種類(lèi)噪聲電平(電子數(shù))輸入噪聲400+'SCCD轉(zhuǎn)移噪聲31000BCCD100輸出噪聲400總均方根載流子變化

24、SCCD1150BCCD570表2 與CCD專(zhuān)感器有關(guān)的噪聲噪聲源大小代表值(均方根載流子)光子噪聲NS_ 4-100, NS= 101000, NS= 106暗電流噪聲NDc100 , NDc= 1 % NSmax光學(xué)胖零噪聲NFz300 , NFz= 10%Kmax電子胖零噪聲400Cn100 , GN=0.1PF(Nsmax= 106)俘獲噪聲輸出噪聲103,SCCD '>2000次轉(zhuǎn)移25pF多瓦色衣2-1400 厄UT102, BCCD200 , Cut = 0.：(1)光子噪聲由于光子發(fā)射是隨機(jī)過(guò)程，因而勢(shì)阱中收集的光電荷也是隨機(jī)的，這就成為噪聲源。由于這種噪聲源與

25、CCD專(zhuān)感器無(wú)關(guān)，而取決于光子的性質(zhì)，因而成為攝像器件的基本限制因素。 這種噪聲主要對(duì)于低光強(qiáng)下的攝像有影響。(2)暗電流噪聲與光子發(fā)射一樣，暗電流也是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因而也成為噪聲源。而且，若每個(gè)CCD單元的暗電流不一樣，就會(huì)產(chǎn)生圖形噪聲。(3)胖零噪聲包括光學(xué)胖零噪聲和電子胖零噪聲，光學(xué)胖零噪聲由使用時(shí)的偏置光的大小決定，電子胖零噪聲由電子注入胖零機(jī)構(gòu)決定。(4)俘獲噪聲在SCCM起因于界面缺陷，在 BCC邛起因于體缺陷，但 BCC砰俘獲噪聲小。(5)輸出噪聲這種噪聲起因于輸出電路復(fù)位過(guò)程中產(chǎn)生的熱噪聲。該噪聲若換算成均方根值就可以與CCD勺噪聲相比較。5.6 暗電流暗電流是大多數(shù)攝像器件所

26、共有的特性，是判斷一個(gè)攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是暗電流在整個(gè)攝像區(qū)域不均勻時(shí)更是如此。產(chǎn)生暗電流的主要原因有：1)耗盡的硅襯底中電子自?xún)r(jià)帶至導(dǎo)帶的本征躍遷暗電流密度的大小由下式?jīng)Q定Ii = q - d(17)i式中：q為電子電荷量；小為載流子濃度；t i為載流子壽命；x d為耗盡區(qū)寬度。 2)少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散在p型材料中，每單位面積內(nèi)由于這種原因而產(chǎn)生的暗電流Ln(18)2 qniNa n式中：NA為空穴濃度；Ln為擴(kuò)散長(zhǎng)度；科為電子遷移率；ni為本征載流子濃度。3) Si-SiO 2界面引起的暗電流Si-SiO 2界面引起的暗電流3-.IS -10:;'s N ss(1

27、9)式中：8 S為界面態(tài)的俘獲截面；NSs為界面態(tài)密度。大多數(shù)情況下，以第三種原因產(chǎn)生的暗電流為主，而得到在室溫下低達(dá) 5nAem 2的暗電流密度。但是，在許多器件中，有許多單元，每平方厘米可能有幾百毫微安的局部暗電流密 度。這個(gè)暗電流的來(lái)源是一定的體內(nèi)雜質(zhì)，產(chǎn)生引起暗電流的能帶間復(fù)合中心。為了減少暗電流，應(yīng)采用缺陷盡可能少的晶體和減少玷污。另外，暗電流還與溫度有關(guān)。溫度越高，熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子越多，因而，暗電流越大。據(jù)計(jì)算，溫度每降低 10C,暗電流可降低1/2。5.7 分辨率分辨率是圖像傳感器的重要特性。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，CCD勺極限分辨率是空間抽 樣頻率的一半。因此，CCD勺分辨率主要取決于 CCDK片的像素?cái)?shù)，其次還受到轉(zhuǎn)移傳輸效 率的影響。從頻譜分析白角度看，CCDg像器件在垂直和水平兩方向都是離散取樣方式。根據(jù)取樣定理