CCD 的原理及 CCD 器件2.2.1 CCD 的基本工作原理 CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS 电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测[1]。以下将分别从这几个方面讨论 CCD 器件的基本工作原理。 （一） MOS 电容器 CCD 是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个 MOS 电容器。但工作原理与 MOS 晶体管不同。CCD 中的 MOS 电容器的形成方法是这样的[2]：在 P 型或 N 型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为 100～150nm 的 SiO2 绝缘层，再在 SiO2 表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS 电容器（见图 2.1）。 图 2.1 MOS 电容器栅极电压变化对耗尽层的影响 CCD 一般是以 P 型硅为衬底，在这种 P 型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压 VG 之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压 VG 时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。 在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压 VG 进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。而一旦出现反型层，MOS 就认为处于反型状态（如图 3;;—1 所示）。显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。因此在加有直流电压的金属板上叠加小的沟通信号时，反型层中电子数目不会因叠有沟通信号而变化。 （二）电荷存储 当一束光投射到 MOS 电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入 Si 衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了 CCD 存储电荷的功能。一个 CCD 检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材...
