2010.5.25 CCD的工作原理及其光譜特性
1 CCD的基本工作原理
CCD（Charged Coupled Device，電荷耦合器件）是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。以下將分別從這幾個(gè)方面討論CCD器件的基本工作原理。
1.1 MOS電容器
CCD是一種固態(tài)檢測(cè)器，由多個(gè)光敏像元組成，其中每一個(gè)光敏像元就是一個(gè)MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器。但工作原理與MOS晶體管不同。
CCD中的MOS電容器的形成方法是這樣的：在P型或N型單晶硅的襯底上用氧化的辦法生成一層厚度約為100～150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電
極，在襯底和電極間加上一個(gè)偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個(gè)MOS電容器。
CCD一般是以P型硅為襯底，在這種P型硅襯底中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。在電極施加?xùn)艠O電壓VG之前，空穴的分布是均勻的，當(dāng)電極相對(duì)于襯底施加正柵壓VG時(shí)，在電極下的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，當(dāng)柵壓繼續(xù)增加，耗盡層將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸，這一耗盡層對(duì)于帶負(fù)電荷的電子而言是一個(gè)勢(shì)能特別低的區(qū)域，因此也叫做“勢(shì)阱”。
在耗盡狀態(tài)時(shí)，耗盡區(qū)電子和空穴濃度與受主濃度相比是可以忽略不計(jì)的，但如正柵壓VG進(jìn)一步增加，界面上的電子濃度將隨著表面勢(shì)成指數(shù)地增長，而表面勢(shì)又是隨耗盡層寬度成平方率增加的。這樣隨著表面電勢(shì)的進(jìn)一步增加，在界面上的電子層形成反型層。而一旦出現(xiàn)反型層，MOS就認(rèn)為處于反型狀態(tài)。顯然，反型層中電子的增加和因柵壓的增加的正電荷相平衡，因此耗盡層的寬度幾乎不變。反型層的電子來自耗盡層的電子—空穴對(duì)的熱產(chǎn)生過程。對(duì)于經(jīng)過很好處理的半導(dǎo)體材料，這種產(chǎn)生過程是非常緩慢的。因此在加有直流電壓的金屬板上疊加小的交流信號(hào)時(shí)，反型層中電子數(shù)目不會(huì)因疊有交流信號(hào)而變化。
1.2 電荷存儲(chǔ)
當(dāng)一束光投射到MOS電容器上時(shí)，光子透過金屬電極和氧化層，進(jìn)入Si襯底，襯底每吸收一個(gè)光子，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì)，其中的電子被吸引到電荷反型區(qū)存儲(chǔ)。從而表明了CCD存儲(chǔ)電荷的功能。一個(gè)CCD檢測(cè)像元的電荷存儲(chǔ)容量決定于反型區(qū)的大小，而反型區(qū)的大小又取決于電極的大小、柵極電壓、絕緣層的材料和厚度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性和厚度等一些因素。
Si-SiO2的表面電勢(shì)VS與存儲(chǔ)電荷QS的關(guān)系。曲線的直線性好，說明兩者之間有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“勢(shì)阱”的概念來描述。電子所以被加有柵極電壓VG的MOS結(jié)構(gòu)吸引到Si-SiO2的交接面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能低。在沒有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”與電極電壓的關(guān)系恰如表面勢(shì)VS與電荷QS的線性關(guān)系。反型層電荷填充勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮。當(dāng)反型層電荷足夠多，使勢(shì)阱被填滿時(shí)，此時(shí)表面勢(shì)下降到不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。
1.3 電荷轉(zhuǎn)移
為了便于理解在CCD中勢(shì)阱電荷如何從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置，取CCD中四個(gè)彼此靠得很近的電極來觀察。
假定開始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為10V的第二個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極上均加有大于域值電壓的較低電壓（例如2V）。為零時(shí)刻（初始時(shí)刻），過t1時(shí)刻后，各電極上的電壓變，第二個(gè)電極仍保持為10V，第三個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊（間隔只有幾微米），他們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來在第二個(gè)電極
下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下的勢(shì)阱所共有。若此后電極上的電壓變?yōu)�，第二個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第三個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個(gè)電極下面的勢(shì)阱中。由此可見，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。
通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，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CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，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的相數(shù)。
這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合（傳輸）方式必須在三相交迭脈沖的作用下才能以一定的方向，逐個(gè)單元的轉(zhuǎn)移。另外必須強(qiáng)調(diào)指出的是，CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。這對(duì)于圖3—4所示的電極結(jié)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵問題。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，不能合并，電荷也不能從一個(gè)電極向另一個(gè)電極轉(zhuǎn)移。CCD便不能在外部時(shí)鐘脈沖的作用下正常工作。
1.4 電荷的注入和檢測(cè)
CCD中的信號(hào)電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。光注入就是當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。而所謂電注入，就是CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。在此僅討論與本課題有關(guān)的光注入法。
CCD利用光電轉(zhuǎn)換功能將投射到CCD上面的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)“圖像”，即電荷量與當(dāng)?shù)卣斩却笾鲁烧鹊拇笮〔坏鹊碾姾砂臻g分布，然后利用移位寄存功能將這些電荷包“自掃描”到同一個(gè)輸出端，形成幅度不等的實(shí)時(shí)脈沖序列。其中光電轉(zhuǎn)換功能的物理基礎(chǔ)是半導(dǎo)體的光吸收。
當(dāng)電磁輻射投射到半導(dǎo)體上面時(shí)，電磁輻射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半導(dǎo)體吸收。所謂半導(dǎo)體光吸收，就是電子吸收光子并從一個(gè)能態(tài)躍遷到另一個(gè)較高能級(jí)的過程。我們這里將要涉及到的是價(jià)帶電子越過禁帶到導(dǎo)帶的躍遷，和局域雜質(zhì)或缺陷周圍的束縛電子（或空穴）到導(dǎo)帶（獲價(jià)帶）的躍遷。他們分別稱為本征吸收和非本征吸收。CCD利用處于表面深耗盡狀態(tài)的一系列MOS電容器（稱為感光單元或光敏單元）收集光產(chǎn)生的少數(shù)載流子。這些收集勢(shì)阱是相互隔離的。由此可見，光轉(zhuǎn)換成電的過程實(shí)際上還包括對(duì)空間連續(xù)的光強(qiáng)分布進(jìn)行空間上分離的采樣過程。
另外，襯底每吸收一個(gè)光子，反型區(qū)中就多一個(gè)電子，這種光子數(shù)目與存儲(chǔ)電荷的定量關(guān)系正是CCD檢測(cè)器用于對(duì)光信號(hào)作定量分析的依據(jù)。
轉(zhuǎn)移到CCD輸出端的信號(hào)電荷在輸出電路上實(shí)現(xiàn)電荷/電壓（電流）的線性變換，稱之為電荷檢測(cè)。從應(yīng)用角度對(duì)電荷檢測(cè)提出的要求是檢測(cè)的線性、檢測(cè)的增益和檢測(cè)引起的噪聲。針對(duì)不同的使用要求，有幾種常用的檢測(cè)電路，如柵電容電荷積分器、差動(dòng)電路積分器以及帶浮置柵和分布浮置柵放大器的輸出電路。這里就不一一敘述了。
2 CCD的光譜分析特性
2.1 電荷轉(zhuǎn)移效率（CTE）
CCD以電荷作為信號(hào)，所以電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)移效率就成為其重要的性能之一。把一次轉(zhuǎn)移之后，到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來勢(shì)阱中的電荷之比稱為電荷轉(zhuǎn)移效率。好的CCD具有極高的電荷轉(zhuǎn)移效率，一般可達(dá)0.999995，所以電荷在多次轉(zhuǎn)移過程中的損失可以忽略不計(jì)。例如，一個(gè)有2048像元的CCD，其信號(hào)電荷的總的電荷轉(zhuǎn)移效率為0.9999952048，即0.9898，損失率只有約0.1%。
2.2 量子效率（QE）
典型的PMT（光電倍增管）、PDA（光電二極管陣列）、CID（電荷注入器件）和CCD的量子效率。可見，CCD的量子效率大大優(yōu)于PDA和CID，在400～700nm波段優(yōu)于PMT。但是，不同廠商制造的CCD在幾何尺寸、制造方法、材料上有所不同，結(jié)果它們的QE差別較大。如有的CCD只在350～900nm波段的QE達(dá)10% 以上，有的CCD在200～1000nm波段都有很高的量子效率。造成QE下降的主要原因是CCD結(jié)構(gòu)中的多晶硅電極或絕緣層把光子吸收了，尤其是對(duì)紫外部分的光吸收較多，這部分光子不產(chǎn)生光生電荷。許多線陣CCD對(duì)紫外光的響應(yīng)較差就是這個(gè)原因。采用化學(xué)蝕刻將硅片減薄和背部照射方式，可以減少由吸收導(dǎo)致的量子效率損失。背部照射減薄的CCD在真空紫外區(qū)的工作極限可達(dá)1000。
2.3 暗電流
CCD在低溫工作時(shí)，暗電流非常低，暗電流是由熱生電荷載流子引起的，冷卻會(huì)使熱生電荷的生成速率大為降低。但是CCD的冷卻溫度不能太低，因?yàn)楣馍姾蓮母鳈z測(cè)元遷移到放大器的輸出節(jié)點(diǎn)的能力隨溫度的下降而降低。制冷到150°K的CCD暗電流小于0.001個(gè)電子╱檢測(cè)元╱秒。
2.4 動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍DR的定義為：
其中VSAT為飽和輸出電壓，VDRK為有效像元的平均暗電流輸出電壓。在正常工作條件下，CCD檢測(cè)器的所有像元經(jīng)歷同時(shí)曝光，表示的是單個(gè)檢測(cè)像元的動(dòng)態(tài)范圍，即簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)范圍。CCD的簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)范圍非常大，寬達(dá)10個(gè)數(shù)量級(jí)。以7500的紅光光子為例，CCD可在1毫秒積分時(shí)間內(nèi)對(duì)光強(qiáng)達(dá)每秒5×109個(gè)光子的光束響應(yīng)。可以對(duì)每秒7×10-2個(gè)光子的光源響應(yīng)。而且在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍響應(yīng)內(nèi)，都能保持線性響應(yīng)。這一特性對(duì)光譜的定量分析具有特別的意義。
但在一些光譜分析中，如AES（原子發(fā)射光譜）中，實(shí)際的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)不到那么大的值。一種擴(kuò)展CCD動(dòng)態(tài)范圍的方法是根據(jù)光的強(qiáng)弱改變每次測(cè)量的積分時(shí)間。強(qiáng)信號(hào)采用短的積分時(shí)間，弱信號(hào)采用長的積分時(shí)間。這種方法測(cè)量強(qiáng)信號(hào)旁的弱信號(hào)非常不利，存在Blooming（溢出）的問題，特別是對(duì)于AES。通過改進(jìn)CCD制作工藝生產(chǎn)出來的性能的CCD已在不同程度上解決了這個(gè)問題。
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線陣CCD光纖光譜儀
