CCD（電荷耦合器件）結構和原理

一、CCD概念

CCD 是指電荷耦合器件，是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件，具有自掃描、感受波譜範圍寬、畸變小、體積小、重量輕、系統噪聲低、功耗小、壽命長、可靠性高等—系列優點，並可做成集成度非常高的組合件。電荷耦合器件(CCD)是20世紀70年代初發展起來的一種新型半導體器件。

二、CCD基本結構和工作原理

2.1 CCD基本結構

CCD內部結構包括光電變換器件，轉移柵，電荷移位寄存器陣列，檢測電路，信號處理電路和驅動電路等。（如圖1所示）

• 圖1 CCD結構

先驗知識：

• 陣列：多個功能單元，緊密排列在一起。各自執行各自的功能，互不干擾。排成一條線的是線陣，排列成一個面的是面陣。
• 光電變換陣列以半導體爲材料，常見的半導體材料有硅、鍺、硒和化合物等。
• 首先任何元素中都是由原子構成，原子由原子核加外圍電子構成；
  原子核的外圍有能級（離散的），外圍電子能在能級上運動；
  最外層的能級叫價帶；越靠近原子核，能量越低；
  電子位於能量低的能級比較穩定；價電子位於價帶上，價電子能量高，價電子決定原子的性質；
  在實際研究中，認爲在價帶外還有一個能級叫：導帶；如果電子獲得能量後，躍遷到導帶上，則成爲自由電子（不受原子核的控制）；
  對於導體，價帶與導帶重合，所以價電子成爲自由電子，不受原子核控制；對於絕緣體，導帶與價帶之間能極差（禁帶寬度）很大，價電子不能成爲自由電子，不能導電；半導體的禁帶寬度在二者之間，能表現出光電特性。
• 光電變換過程：在光電變換陣列中，光照在半導體上，以光的粒子性爲研究對象，無數光子打在材料上，光子將自身的能量傳遞給價電子，價電子嚮導帶躍遷，產生自由電子；
  自由電子被正電子吸引，存儲在絕緣體與半導體的交界面上。由於絕緣體的存在，保證光生自由電子不被正電源吸走；
• 根據量子物理，一個光子僅能將能量傳給一個價電子；
  以半導體爲材料進行光電轉換，可以定量檢測光路；
  電荷陣列與光電陣列結構相同，是一一對應的關係；
• 假設光電變換已經完成；
  當轉移柵有效，閉合，使對應單元連通；
  在內部邏輯作用下，光生電子轉移到對應的電荷陣列單元中（如圖2）；
  進行移位並檢測（電荷移位寄存器陣列）；
  一個單元分爲3個子單元，按順序編號；
  編號相同的連接在一起成爲一路脈衝（如圖3所示）

• 圖2 光電變換陣列到電荷移位寄存器陣列

• 圖3 電荷移位

• 當光電變換完成，轉移柵有效，初始時刻，φ1爲高，φ2、φ3爲低，1號子單元施加+5V，1號產生勢阱，可以存電子，2、3號不能；光生電子轉移到對應1號子單元中，t0時刻，φ2爲高電平，2號子單元也產生勢阱，可以存電子，1、兩個勢阱平分光生電子。t1時刻，φ1爲低電平1號子單元勢阱消失，1號中的電子轉移到2號子單元中（這就是產生的移位效果）；t2時刻，φ3爲高電平，產生勢阱所以2、3平分電荷，t3時刻φ2爲低電平，2號子單元勢阱消失，2中的電子轉移到3號子單元中，電子再次移位（如圖4）；在時序匹配的脈衝作用下，產生電荷，依次向一個方向移位；由於陣列長度有限，總有一個時刻，光生電荷會移出陣列；電荷移入電荷檢測電路（等效於一個電容），充入電容得到電壓（電壓與光子數成正比，得到光子的數量）；轉換出的電壓能精確檢測，模擬電壓信號經過AD之後轉換爲數字信號，進入CPU處理，得到電子照片。
  

• 圖4 脈衝時序圖