第三章 电荷耦合器件 (CCD)
? 实现光电转换、信号储存、转移、输出、
处理及电子快门等
? 特点, 1）体积小、重量轻、功耗低、可
靠性高、寿命长。
2）空间分辨率高,4096X4096
3）光电灵敏度高、动态范围大。
4）模拟、数字输出方便；与微机
接口方便。
第一节 CCD的物理基础
? MOS晶体管器件，但不工作于 反型层 而是
深耗尽层 。
? 由 衬底 （ P型单晶硅）,氧化层 （ SiO2）
和 金属电极 构成。
? UG不同，物理特性不同。
一、稳态 MOS结构物理性质
? UG=0时，如 a） 所示。
1.多数载流子堆积状态
UG <0,表面势 Us<0;-qUs>0;空穴增多 ;
表面能量增大 ;表面能带如 b)所示,
2.多数载流子耗尽状态
UG >0,表面势 Us>0;-qUs<0;空穴被排斥 ;表面能
量减小 ;出现, 多子耗尽区, 或称, 势阱,,表
面能带如 c)所示,
3.载流子反型状态
UG >0且更大超过某一值,表面电子超过空穴浓度,
出现反型的 N区,见 d)所示,
? 当 UG >Uth时,MOS结构稳定，称, 强反型,
? 强反型条件：
2kT NA表面势 Us=----ln(--) (3-1)
q ni
Uth为出现强反型时的 UG电压 —阈 值电压。
Uth=Us+Uox （ 3-2）
实际中,UG =0时，能带并不平，需要一个
平带电压 UFB,则强反型栅极电压为：
UG > Uth + UFB
强反型时，耗尽层宽度保持最大不变； MOS
电容保持最大值不随 UG变化。
二、非稳态 MOS的物理性质
? 当 UG >Uth一开始，由于电子尚未来得及
产生,MOS结构只存在, 势阱, 。
随后，热激发产生的电子在电场的作用
下乡表面集聚，势阱中的电子不断增多，
最后达到热平衡 — 稳态。
CCD就是在 MOS电容器未达到热平衡之
前，利用深耗层区来存储和转移信号的。
见图 3-3所示。
? MOS电容器势阱的信号电荷存储能力：
Qs=CoxUGAd (3-5)
第二节 CCD的工作原理
一,CCD的电极结构
即 MOS结构的栅极，若干电极为一组（位）
每个位有多少个电极就有多少, 相, 。
实际中有 2,3,4相；
按电极结构分一层、两层和三层等
见下图 3-6所示，有 6电极结构。
? 氧化层薄或掺杂浓度低的地方势阱深，
反之浅。
二,CCD的电荷转移
? 在势阱下施加一系列有规律的电压（驱
动时序），就可以控制电极下电荷包的
存储位置和移动方向。
? 只介绍三相和两相的电荷传输过程。
1.三相 CCD 的电荷移动
t1— t4:电荷从 a1---b1；
t4— t7:电荷从 b1---c1；
t7— t10:电荷从 c1---a2；
2.二相 CCD的电荷转移
阴影部分称阻挡势阱，不能存储电荷。
? 二相 CCD转移过程：
电极的驱动控制时序
? t1~t4为第一次转移
? t5~t6为第二次转移
? t4~t5,t6~t7为输入 /输出间隔
三、信号输出方式
1.电流输出,Φ 3下面的电荷包经过输出栅
OG后,Φ 3由高变低，同时提升二极管
电压，使其表面势升高以收集 OG栅下的
信号电荷，形成反向电流。
2.电压输出
? 浮置扩散放大器 (FDA)和浮置栅放大器
(FGA)
信号电荷到来,VT1截止；栅极电势：
△ Uout=Qs/CFD (3-6)
经放大，输出端电压为△ U’out （ 3-7）
信号读出后,Φr 脉冲复位,VT1导通，
VT2的沟道抽走剩余电荷。
抗噪声性能好于电流，但破坏性读取。
FGA为非破坏性读取。
四,CCD的特性参数
1.电荷转移效率和转移损失率,
2.工作频率,
3.电荷存储容量,
4.灵敏度,
5.分辨率,
6.光谱响应,
? 实现光电转换、信号储存、转移、输出、
处理及电子快门等
? 特点, 1）体积小、重量轻、功耗低、可
靠性高、寿命长。
2）空间分辨率高,4096X4096
3）光电灵敏度高、动态范围大。
4）模拟、数字输出方便；与微机
接口方便。
第一节 CCD的物理基础
? MOS晶体管器件，但不工作于 反型层 而是
深耗尽层 。
? 由 衬底 （ P型单晶硅）,氧化层 （ SiO2）
和 金属电极 构成。
? UG不同，物理特性不同。
一、稳态 MOS结构物理性质
? UG=0时，如 a） 所示。
1.多数载流子堆积状态
UG <0,表面势 Us<0;-qUs>0;空穴增多 ;
表面能量增大 ;表面能带如 b)所示,
2.多数载流子耗尽状态
UG >0,表面势 Us>0;-qUs<0;空穴被排斥 ;表面能
量减小 ;出现, 多子耗尽区, 或称, 势阱,,表
面能带如 c)所示,
3.载流子反型状态
UG >0且更大超过某一值,表面电子超过空穴浓度,
出现反型的 N区,见 d)所示,
? 当 UG >Uth时,MOS结构稳定，称, 强反型,
? 强反型条件：
2kT NA表面势 Us=----ln(--) (3-1)
q ni
Uth为出现强反型时的 UG电压 —阈 值电压。
Uth=Us+Uox （ 3-2）
实际中,UG =0时，能带并不平，需要一个
平带电压 UFB,则强反型栅极电压为：
UG > Uth + UFB
强反型时，耗尽层宽度保持最大不变； MOS
电容保持最大值不随 UG变化。
二、非稳态 MOS的物理性质
? 当 UG >Uth一开始，由于电子尚未来得及
产生,MOS结构只存在, 势阱, 。
随后，热激发产生的电子在电场的作用
下乡表面集聚，势阱中的电子不断增多，
最后达到热平衡 — 稳态。
CCD就是在 MOS电容器未达到热平衡之
前，利用深耗层区来存储和转移信号的。
见图 3-3所示。
? MOS电容器势阱的信号电荷存储能力：
Qs=CoxUGAd (3-5)
第二节 CCD的工作原理
一,CCD的电极结构
即 MOS结构的栅极，若干电极为一组（位）
每个位有多少个电极就有多少, 相, 。
实际中有 2,3,4相；
按电极结构分一层、两层和三层等
见下图 3-6所示，有 6电极结构。
? 氧化层薄或掺杂浓度低的地方势阱深，
反之浅。
二,CCD的电荷转移
? 在势阱下施加一系列有规律的电压（驱
动时序），就可以控制电极下电荷包的
存储位置和移动方向。
? 只介绍三相和两相的电荷传输过程。
1.三相 CCD 的电荷移动
t1— t4:电荷从 a1---b1；
t4— t7:电荷从 b1---c1；
t7— t10:电荷从 c1---a2；
2.二相 CCD的电荷转移
阴影部分称阻挡势阱，不能存储电荷。
? 二相 CCD转移过程：
电极的驱动控制时序
? t1~t4为第一次转移
? t5~t6为第二次转移
? t4~t5,t6~t7为输入 /输出间隔
三、信号输出方式
1.电流输出,Φ 3下面的电荷包经过输出栅
OG后,Φ 3由高变低，同时提升二极管
电压，使其表面势升高以收集 OG栅下的
信号电荷，形成反向电流。
2.电压输出
? 浮置扩散放大器 (FDA)和浮置栅放大器
(FGA)
信号电荷到来,VT1截止；栅极电势：
△ Uout=Qs/CFD (3-6)
经放大，输出端电压为△ U’out （ 3-7）
信号读出后,Φr 脉冲复位,VT1导通，
VT2的沟道抽走剩余电荷。
抗噪声性能好于电流，但破坏性读取。
FGA为非破坏性读取。
四,CCD的特性参数
1.电荷转移效率和转移损失率,
2.工作频率,
3.电荷存储容量,
4.灵敏度,
5.分辨率,
6.光谱响应,
