CCD（电荷耦合器件）结构和原理

一、CCD概念

CCD 是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等—系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。电荷耦合器件(CCD)是20世纪70年代初发展起来的一种新型半导体器件。

二、CCD基本结构和工作原理

2.1 CCD基本结构

CCD内部结构包括光电变换器件，转移栅，电荷移位寄存器阵列，检测电路，信号处理电路和驱动电路等。（如图1所示）

• 图1 CCD结构

先验知识：

• 阵列：多个功能单元，紧密排列在一起。各自执行各自的功能，互不干扰。排成一条线的是线阵，排列成一个面的是面阵。
• 光电变换阵列以半导体为材料，常见的半导体材料有硅、锗、硒和化合物等。
• 首先任何元素中都是由原子构成，原子由原子核加外围电子构成；
  原子核的外围有能级（离散的），外围电子能在能级上运动；
  最外层的能级叫价带；越靠近原子核，能量越低；
  电子位于能量低的能级比较稳定；价电子位于价带上，价电子能量高，价电子决定原子的性质；
  在实际研究中，认为在价带外还有一个能级叫：导带；如果电子获得能量后，跃迁到导带上，则成为自由电子（不受原子核的控制）；
  对于导体，价带与导带重合，所以价电子成为自由电子，不受原子核控制；对于绝缘体，导带与价带之间能极差（禁带宽度）很大，价电子不能成为自由电子，不能导电；半导体的禁带宽度在二者之间，能表现出光电特性。
• 光电变换过程：在光电变换阵列中，光照在半导体上，以光的粒子性为研究对象，无数光子打在材料上，光子将自身的能量传递给价电子，价电子向导带跃迁，产生自由电子；
  自由电子被正电子吸引，存储在绝缘体与半导体的交界面上。由于绝缘体的存在，保证光生自由电子不被正电源吸走；
• 根据量子物理，一个光子仅能将能量传给一个价电子；
  以半导体为材料进行光电转换，可以定量检测光路；
  电荷阵列与光电阵列结构相同，是一一对应的关系；
• 假设光电变换已经完成；
  当转移栅有效，闭合，使对应单元连通；
  在内部逻辑作用下，光生电子转移到对应的电荷阵列单元中（如图2）；
  进行移位并检测（电荷移位寄存器阵列）；
  一个单元分为3个子单元，按顺序编号；
  编号相同的连接在一起成为一路脉冲（如图3所示）

• 图2 光电变换阵列到电荷移位寄存器阵列

• 图3 电荷移位

• 当光电变换完成，转移栅有效，初始时刻，φ1为高，φ2、φ3为低，1号子单元施加+5V，1号产生势阱，可以存电子，2、3号不能；光生电子转移到对应1号子单元中，t0时刻，φ2为高电平，2号子单元也产生势阱，可以存电子，1、两个势阱平分光生电子。t1时刻，φ1为低电平1号子单元势阱消失，1号中的电子转移到2号子单元中（这就是产生的移位效果）；t2时刻，φ3为高电平，产生势阱所以2、3平分电荷，t3时刻φ2为低电平，2号子单元势阱消失，2中的电子转移到3号子单元中，电子再次移位（如图4）；在时序匹配的脉冲作用下，产生电荷，依次向一个方向移位；由于阵列长度有限，总有一个时刻，光生电荷会移出阵列；电荷移入电荷检测电路（等效于一个电容），充入电容得到电压（电压与光子数成正比，得到光子的数量）；转换出的电压能精确检测，模拟电压信号经过AD之后转换为数字信号，进入CPU处理，得到电子照片。
  

• 图4 脉冲时序图