电荷耦合器件 (CCD)
CCD
ICCD
? 简介
电荷为信号
基本功能,电荷的存储和转移
工作过程, 产生、存储、传输和检测
两类：电荷包在半导体和绝缘体之间，界
面传播（ SCCD）；电荷包存储在离表面一
定深度的体内，体内传播（ BCCD）
? CCD类型：
? 表面沟道 CCD（ SCCD）：电荷包存储在半
导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；
? 体沟道 CCD（ BCCD）：电荷包存储在离半
导体表面一定深度的体内，并在半导体体
内沿一定方向传输。
? 工作过程：电荷的产生、存储、传输＆检
测。
? CCD应用的分类：
在电子计算机或数字系统中信息存贮与处理
摄像装置
主要特性：
? 1.体积小，重量轻，耗电少，启动快，寿命长
? 2.光谱相应范围宽
? 3.灵敏度高
? 4.暗电流小，监测噪音低
? 5.动态响应范围宽
? 6.分辨率高
? 7.与微光像增强器级联，低照度下可采集信号
? 8.有抗过度曝光性能
? 电荷存储
基本单元是 MOS
图 5-14
图 5-15
图 5-16
图 5-17
表面势、势阱
栅电极 G 氧化层
P型半导体 耗尽区 反型层
uG>uthuG<uthuG=0
? 构成 CCD的基本单元是 MOS（金属－氧化
物－半导体）结构。当栅极 G施加正偏压
UG之前（ UG=0）,P型半导体中的空穴
（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极
电压加正向偏压（ UG<Uth）后，空穴被排
斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区
进一步向半导体内延伸；当 UG>Uth时,半导
体与绝缘体界面上的电势（表面势 ФS）变
得如此之高，以至于将半导体体内的电子
（少数载流子）吸引导表面，形成电荷浓
度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在
说明了 MOS结构具有存储电荷的功能。
ФS
UG
P型硅杂质浓度
Nd=1021m-3
反型层电荷
QINV=0
1.0V
1.4V
Uth= 2.2V
3.0V 表面势与栅极电压的关系
ФS
QINV
dox=0.1um
dox=0.2um
UG=15V
UG=10V
表面势与反型层电荷密度的关系
曲线的直线
特性好，说
明两者有着
良好的反比
例线性关系。
可以“势阱”
的概念来解
释。
u0 10V 10V
UG=5V
UG=10V
UG=15V
空势阱 填充 1/3势阱 全满势阱
电子被加有栅极电压的 MOS结构吸引到势能最低
的氧化层与半导体地交界面处。
MOS电容存储信号电荷的容量为,Q=Cox?UG?A
电荷耦合
假定开始有一些电荷存储在偏压为 20V的第二个电
极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得
较低电压（例如 2V）。设 a图为零时刻，经过一段
时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍
保持 10V，第三个电极上的电压由 2V变为 10V，因
这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的
对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的
电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图 b＆ c。
若此后第二个电极上的电压由 10V变为 2V，第三
个电极电压仍为 10V，则共有的电荷转移到第三个
电极下的势阱中，如图 e。由此可见，深势阱及电
荷包向右移动了一个位置。
2V 10V 2V 2V
a
存有电荷
的势阱
b
2V 10V
2V
10V 2V 2V 10V 10V 2V
2V
10V
2V 10V 2V 2V 2V 10V 2V
c
d e
f
Ф1
Ф2
Ф3
? 通过将一定规则变化的电压加到 CCD各电极上，
电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移
动。通常把 CCD电极分为几组，并施加同样的时
钟脉冲。如图 f，为三相时钟脉冲，此种 CCD称为
三相 CCD。
? CCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所
间隔。
? 产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结
构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于
3um。
? 以电子为信号电荷的 CCD称为 N型沟道 CCD（工
作频率高）,而以空穴为信号电荷的 CCD称为 P型
沟道 CCD。
电荷的注入＆检测
电荷的注入
（ 1）光注入
当光照射 CCD硅片时，在栅极附近的半导体
体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅
极电压排开，少数载流子则被收集在势阱
中形成信号电荷。它有可分为正面照射式
＆背面照射式。其光注入电荷,材料的
量子效
率
入射光的光
子流速率
0ATqQ eonIP ?? ?
光敏电
压的受
光面积
U+ U+
势垒
P-Si
背面照射式光注入
（ 2）电注入,CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，
将信号电压或电流转换为信号电荷 。
?电流注入法
ID
uIN
uID
N+
IG Ф1Ф2 Ф3 Ф2
P
ID为源极,IG为栅极,而 Ф2
为漏极，当它工作在饱和
区时，输入栅下沟道电流
为：
? ? 22 UUUCLWI IGIN
G
s ???? ?
经过 Tc时间注入后，其信号电荷量为：
? ? cIGIN
G
s TUUU
C
L
WQ 2
2 ???? ?
ID IG
Ф2 Ф1
Ф3 Ф2
Ф3
Ф1
N+
P-Si
?电压注入法
与电流注入法类似，
但输入栅极 IG加与
Ф2同位相的选通脉
冲，在选通脉冲作
用下，电荷被注入
到第一个转移栅极
Ф2下的势阱里，直
到阱的电位与 N+区
的电位相等时，注
入电荷才停止。往
下一级转移前，由
于选通脉冲的终止，
IG的势垒把 Ф2＆
N+的势阱分开。
电荷注入量与时钟脉
冲频率无关。
电荷的检测
信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何
电容耦合，而在输出端需选择适当地输出
电路减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的
程度。
（ 1）电流输出：如图 a。
由反向偏置二极管收集信号电荷来控制 A点电位的变化，
直流偏置的输出栅极 OG用来使漏扩散＆时钟脉冲之间
退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷
的势阱，转移到 Ф2电极下的电荷包越过输出栅极，流入
到身势阱中。
UD
RD
Rg
A
OGФ1 Ф2
放大
P-Si
图 a
N+
OGФ1 Ф2
浮置扩散 T
1（复位管）
T2（放大管）
Rg
UDD
(2)浮置扩散放大器输出：如图 b.
图 b
复位管在 Ф2
下的势阱未
形成前，在
RG端加复位
脉冲，使复
位管导通，
把浮置扩散
区剩余电荷
抽走，复位
到 UDD，而当
电荷到来时，
复位管截止，
由浮置扩散
区收集的信
号电荷来控
制放大管栅
极电位变化。
（ 3）浮置栅放大器输出：如下图。
浮栅
T2
UDD
Ф1Ф3 Ф2 Ф1Ф3 Ф2 Ф3
T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是
与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下
面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制
T2的栅极电位。
CCD的特性参数
1、转移效率＆转移损失率
转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中
的电荷与原来势阱中的电荷之比。
? ?
? ?01 Q
tQ???
转移损失率：
?? ?? 1
ε(t)
Q(0)/C
影响电荷转移效率
的主要因素为界面
态对电荷的俘获。
为此，常采用“胖
零”工作模式，即
让“零信号”也有
一定的电荷。
2、工作频率 f
（ 1）下限：为避免由于热产生的少数载流子
对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极
转移到另一个电极所用的时间必须小于少
数载流子的平均寿命，对于三相 CCD,t 为：
t=T/3=1/3f,故,f>1/3ζ。
（ 2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身
从一个电极转移到另一个电极所需的时间
大于驱动脉冲使其转移地时间 T/3,那么信号
电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率
大大降低。故 t≤T/3，即 f ≤1/3t。
ε(t)
驱动脉冲频率 f
5V
10V
ε
驱动脉冲频率 f
实测三相多晶硅 N沟道
SCCD的关系曲线
10MHz
电荷耦合摄像器件（ ICCD）
1、工作原理
利用光学成像系统将景物图像成在 CCD地像
敏面上。像敏面将照在每一像敏面的图像
照度信号转变为少数载流子数密度信号存
储于像敏单元（ MOS电容）中，然后，再
转移到 CCD的移位寄存器（转移电极下的
势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移
出器件，成为视频信号。
2、类型
（ 1）线型 CCD摄像器件
? 单沟道线型 ICCD
? 双沟道线型 ICCD
（ 2）面阵 ICCD
? 帧转移面阵 ICCD
? 隔列转移型面阵 ICCD
? 线转移型面阵 ICCD
它们的结构原理见课本 P126_128
ICCD的基本特性参数
（ 1）光电转换特性
良好，光电转换因子可达到 99.7%。
（ 2）光谱响应
ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬
底的 ICCD，其光谱响应范围为 0.4~1.1um，
平均量子效率为 25％，绝对响应为
0.1~0.2A*W-1。
(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪
声电荷量之比决定。
（ 4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声
（转移噪声）＆检测时产生的噪声（输出噪声）。
（ 5）暗电流
产生的主要原因：
? 耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；
? 少数载流子在中性体内的扩散；
? 来自 SiO2表面（硅中缺陷＆杂质数目）引起的暗
电流；
? Si-SiO2界面表面的晶体缺陷＆玷污等；
? 温度，温度越高，暗电流越大。
（ 6）分辨力
MTF MTF
2856K白炽光源 单色光源
频率 频率
作 业
? 1.CCD的工作原理是什么？解释它的特性参
数。
? 2.ICCD的工作原理是什么？
预 习
? 了解变像管和像增强管原理与性能参数
? 了解光调制器件（电光、声光和磁光器件）
原理。
CCD
ICCD
? 简介
电荷为信号
基本功能,电荷的存储和转移
工作过程, 产生、存储、传输和检测
两类：电荷包在半导体和绝缘体之间，界
面传播（ SCCD）；电荷包存储在离表面一
定深度的体内，体内传播（ BCCD）
? CCD类型：
? 表面沟道 CCD（ SCCD）：电荷包存储在半
导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；
? 体沟道 CCD（ BCCD）：电荷包存储在离半
导体表面一定深度的体内，并在半导体体
内沿一定方向传输。
? 工作过程：电荷的产生、存储、传输＆检
测。
? CCD应用的分类：
在电子计算机或数字系统中信息存贮与处理
摄像装置
主要特性：
? 1.体积小，重量轻，耗电少，启动快，寿命长
? 2.光谱相应范围宽
? 3.灵敏度高
? 4.暗电流小，监测噪音低
? 5.动态响应范围宽
? 6.分辨率高
? 7.与微光像增强器级联，低照度下可采集信号
? 8.有抗过度曝光性能
? 电荷存储
基本单元是 MOS
图 5-14
图 5-15
图 5-16
图 5-17
表面势、势阱
栅电极 G 氧化层
P型半导体 耗尽区 反型层
uG>uthuG<uthuG=0
? 构成 CCD的基本单元是 MOS（金属－氧化
物－半导体）结构。当栅极 G施加正偏压
UG之前（ UG=0）,P型半导体中的空穴
（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极
电压加正向偏压（ UG<Uth）后，空穴被排
斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区
进一步向半导体内延伸；当 UG>Uth时,半导
体与绝缘体界面上的电势（表面势 ФS）变
得如此之高，以至于将半导体体内的电子
（少数载流子）吸引导表面，形成电荷浓
度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在
说明了 MOS结构具有存储电荷的功能。
ФS
UG
P型硅杂质浓度
Nd=1021m-3
反型层电荷
QINV=0
1.0V
1.4V
Uth= 2.2V
3.0V 表面势与栅极电压的关系
ФS
QINV
dox=0.1um
dox=0.2um
UG=15V
UG=10V
表面势与反型层电荷密度的关系
曲线的直线
特性好，说
明两者有着
良好的反比
例线性关系。
可以“势阱”
的概念来解
释。
u0 10V 10V
UG=5V
UG=10V
UG=15V
空势阱 填充 1/3势阱 全满势阱
电子被加有栅极电压的 MOS结构吸引到势能最低
的氧化层与半导体地交界面处。
MOS电容存储信号电荷的容量为,Q=Cox?UG?A
电荷耦合
假定开始有一些电荷存储在偏压为 20V的第二个电
极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得
较低电压（例如 2V）。设 a图为零时刻，经过一段
时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍
保持 10V，第三个电极上的电压由 2V变为 10V，因
这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的
对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的
电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图 b＆ c。
若此后第二个电极上的电压由 10V变为 2V，第三
个电极电压仍为 10V，则共有的电荷转移到第三个
电极下的势阱中，如图 e。由此可见，深势阱及电
荷包向右移动了一个位置。
2V 10V 2V 2V
a
存有电荷
的势阱
b
2V 10V
2V
10V 2V 2V 10V 10V 2V
2V
10V
2V 10V 2V 2V 2V 10V 2V
c
d e
f
Ф1
Ф2
Ф3
? 通过将一定规则变化的电压加到 CCD各电极上，
电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移
动。通常把 CCD电极分为几组，并施加同样的时
钟脉冲。如图 f，为三相时钟脉冲，此种 CCD称为
三相 CCD。
? CCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所
间隔。
? 产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结
构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于
3um。
? 以电子为信号电荷的 CCD称为 N型沟道 CCD（工
作频率高）,而以空穴为信号电荷的 CCD称为 P型
沟道 CCD。
电荷的注入＆检测
电荷的注入
（ 1）光注入
当光照射 CCD硅片时，在栅极附近的半导体
体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅
极电压排开，少数载流子则被收集在势阱
中形成信号电荷。它有可分为正面照射式
＆背面照射式。其光注入电荷,材料的
量子效
率
入射光的光
子流速率
0ATqQ eonIP ?? ?
光敏电
压的受
光面积
U+ U+
势垒
P-Si
背面照射式光注入
（ 2）电注入,CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，
将信号电压或电流转换为信号电荷 。
?电流注入法
ID
uIN
uID
N+
IG Ф1Ф2 Ф3 Ф2
P
ID为源极,IG为栅极,而 Ф2
为漏极，当它工作在饱和
区时，输入栅下沟道电流
为：
? ? 22 UUUCLWI IGIN
G
s ???? ?
经过 Tc时间注入后，其信号电荷量为：
? ? cIGIN
G
s TUUU
C
L
WQ 2
2 ???? ?
ID IG
Ф2 Ф1
Ф3 Ф2
Ф3
Ф1
N+
P-Si
?电压注入法
与电流注入法类似，
但输入栅极 IG加与
Ф2同位相的选通脉
冲，在选通脉冲作
用下，电荷被注入
到第一个转移栅极
Ф2下的势阱里，直
到阱的电位与 N+区
的电位相等时，注
入电荷才停止。往
下一级转移前，由
于选通脉冲的终止，
IG的势垒把 Ф2＆
N+的势阱分开。
电荷注入量与时钟脉
冲频率无关。
电荷的检测
信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何
电容耦合，而在输出端需选择适当地输出
电路减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的
程度。
（ 1）电流输出：如图 a。
由反向偏置二极管收集信号电荷来控制 A点电位的变化，
直流偏置的输出栅极 OG用来使漏扩散＆时钟脉冲之间
退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷
的势阱，转移到 Ф2电极下的电荷包越过输出栅极，流入
到身势阱中。
UD
RD
Rg
A
OGФ1 Ф2
放大
P-Si
图 a
N+
OGФ1 Ф2
浮置扩散 T
1（复位管）
T2（放大管）
Rg
UDD
(2)浮置扩散放大器输出：如图 b.
图 b
复位管在 Ф2
下的势阱未
形成前，在
RG端加复位
脉冲，使复
位管导通，
把浮置扩散
区剩余电荷
抽走，复位
到 UDD，而当
电荷到来时，
复位管截止，
由浮置扩散
区收集的信
号电荷来控
制放大管栅
极电位变化。
（ 3）浮置栅放大器输出：如下图。
浮栅
T2
UDD
Ф1Ф3 Ф2 Ф1Ф3 Ф2 Ф3
T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是
与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下
面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制
T2的栅极电位。
CCD的特性参数
1、转移效率＆转移损失率
转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中
的电荷与原来势阱中的电荷之比。
? ?
? ?01 Q
tQ???
转移损失率：
?? ?? 1
ε(t)
Q(0)/C
影响电荷转移效率
的主要因素为界面
态对电荷的俘获。
为此，常采用“胖
零”工作模式，即
让“零信号”也有
一定的电荷。
2、工作频率 f
（ 1）下限：为避免由于热产生的少数载流子
对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极
转移到另一个电极所用的时间必须小于少
数载流子的平均寿命，对于三相 CCD,t 为：
t=T/3=1/3f,故,f>1/3ζ。
（ 2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身
从一个电极转移到另一个电极所需的时间
大于驱动脉冲使其转移地时间 T/3,那么信号
电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率
大大降低。故 t≤T/3，即 f ≤1/3t。
ε(t)
驱动脉冲频率 f
5V
10V
ε
驱动脉冲频率 f
实测三相多晶硅 N沟道
SCCD的关系曲线
10MHz
电荷耦合摄像器件（ ICCD）
1、工作原理
利用光学成像系统将景物图像成在 CCD地像
敏面上。像敏面将照在每一像敏面的图像
照度信号转变为少数载流子数密度信号存
储于像敏单元（ MOS电容）中，然后，再
转移到 CCD的移位寄存器（转移电极下的
势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移
出器件，成为视频信号。
2、类型
（ 1）线型 CCD摄像器件
? 单沟道线型 ICCD
? 双沟道线型 ICCD
（ 2）面阵 ICCD
? 帧转移面阵 ICCD
? 隔列转移型面阵 ICCD
? 线转移型面阵 ICCD
它们的结构原理见课本 P126_128
ICCD的基本特性参数
（ 1）光电转换特性
良好，光电转换因子可达到 99.7%。
（ 2）光谱响应
ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬
底的 ICCD，其光谱响应范围为 0.4~1.1um，
平均量子效率为 25％，绝对响应为
0.1~0.2A*W-1。
(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪
声电荷量之比决定。
（ 4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声
（转移噪声）＆检测时产生的噪声（输出噪声）。
（ 5）暗电流
产生的主要原因：
? 耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；
? 少数载流子在中性体内的扩散；
? 来自 SiO2表面（硅中缺陷＆杂质数目）引起的暗
电流；
? Si-SiO2界面表面的晶体缺陷＆玷污等；
? 温度，温度越高，暗电流越大。
（ 6）分辨力
MTF MTF
2856K白炽光源 单色光源
频率 频率
作 业
? 1.CCD的工作原理是什么？解释它的特性参
数。
? 2.ICCD的工作原理是什么？
预 习
? 了解变像管和像增强管原理与性能参数
? 了解光调制器件（电光、声光和磁光器件）
原理。
