电荷耦合器件（CCD）剖析

电荷耦合器件（CCD）是基于硅的集成电路，由密集的光电二极管矩阵组成，该矩阵通过将光子形式的光能转换为电荷来工作。由光子与硅原子相互作用产生的电子存储在势阱中，随后可以通过寄存器在芯片上传输并输出到放大器。图1所示的示意图显示了组成典型CCD解剖结构的各种组件。

CCD是贝尔实验室的研究科学家于1960年代后期发明的，他们最初将这种想法设想为一种新型的计算机存储电路。后来的研究表明，该设备由于具有转移电荷的能力以及与光的光电相互作用，对于其他应用（例如信号处理和成像）也很有用。新型存储设备的早期希望几乎消失了，但CCD已成为通用电子成像检测器的领先候选者之一，该电子检测器能够替代新兴的数字显微照相领域的胶片。

CCD是在类似于集成电路的硅晶片上制造的，它通过一系列复杂的光刻步骤进行处理，这些步骤包括蚀刻，离子注入，薄膜沉积，金属化和钝化，以定义器件内的各种功能。硅基板被电掺杂以形成p型硅，p型硅是其中主载流子为带正电的电子空穴的材料。在用金刚石锯切割之前，在每个晶片上制造多个裸片，每个裸片都能产生工作器件，然后进行测试，封装到带有玻璃或石英窗口的陶瓷或聚合物外壳中，光可以通过窗口照亮CCD表面上的光电二极管阵列。

当紫外线，可见光或红外光子撞击位于CCD光电二极管中或附近的硅原子时，通常会产生一个自由电子和一个由于硅晶格中电子暂时不存在而产生的“空穴”。然后将自由电子收集在势阱中（位于耗尽层所在区域的硅内部深处），同时迫使空穴离开势阱，并最终移入硅衬底中。各个光电二极管通过通道停止点与其相邻元件电隔离，该通道停止点是通过将硼离子通过掩模扩散到p型硅衬底中而形成的。

CCD的主要结构特征是大量的串行移位寄存器，它们由垂直堆叠的掺杂多晶硅导电层构成，该导电层通过二氧化硅绝缘薄膜与硅半导体衬底隔离（见图2）。在阵列的每个光电二极管中收集了电子之后，将电压电势施加到多晶硅电极层（称为栅极）以改变下面的硅的静电电势。然后，直接位于栅电极下方的硅衬底变成势能阱，其能够收集由入射光产生的局部电子。相邻的栅极通过在阱周围形成较高势能的区域（称为势垒）来帮助将电子限制在势阱内。通过调制施加到多晶硅栅极的电压，对它们施加偏压，以形成势阱或光电二极管收集的积分电荷的势垒。

最常见的CCD设计具有一系列门元件，这些门元件通过在水平行中排列的三个势阱将每个像素分为三部分。每个光电二极管的势阱都能容纳许多电子，这些电子决定了CCD动态范围的上限。在被称为积分的一段时间内被入射光子照亮后，CCD光电二极管阵列中的势阱被硅衬底的耗尽层中产生的电子充满。通过将累积电荷串行和并行组合传输到芯片边缘的单个输出节点，可以实现对所存储电荷的测量。并行电荷转移的速度通常足以在下一个图像的电荷积分期间实现。

在被收集到势阱中之后，电子通过垂直移位寄存器时钟产生的信号平行移动，一次移动一行。电子传输过程以多步（从两步到四步不等）跨过每个光电二极管。通过将保持阱的电位变为负，同时将下一个电极的偏置增压到正实现电子转移。垂直移位寄存器时钟周期性操作改变垂直栅极交替电极上的电压，从而使累积的电荷跨过CCD移动。图1所示是一个位于一行CCD栅极内的传输栅极相邻的光电二极管势阱。

穿过并行移位寄存器门阵列后，电荷最终到达称为串行移位寄存器的一行专用门。 在这里，代表每个像素的电子包在水平移位寄存器时钟控制下依次水平移位到输出放大器并移出芯片。 水平移位寄存器的全部内容在并行寄存器加载下一行电子包之前被传输到输出节点。 在输出放大器中，记录电子包在从第一行开始到最后一行的每一行中从左到右连续的光电二极管产生的电荷量。 这对来自光电二极管传感器元件的整个二维阵列的光生电荷进行了模拟光栅扫描。

撰稿人
Mortimer Abramowitz – Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Melville, New York, 11747.
Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.