2024年6月5日发(作者：暨凌寒)

7.3 固体摄像器件

7.3.1 电荷耦合器件

1.电荷耦合器件的结构与工作原理

电荷耦合器件 以电荷作为信号载体的半导体光电器件，简称CCD。

CCD的分类：



表面沟道电荷耦合器件（SCCD）——信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界

面，并沿界面传输。



体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）——信号电荷存储在离半导体表面一

定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。

CCD的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS结构）。

CCD线阵：由多个像素（一个MOS单元称为一个像素）组成。

图7-25 CCD的单元与线阵结构示意图

MOS电容器的电学特性：



栅极未加电压时——P型Si内的多数载流子（空穴）均匀分布。



栅极施加正电压U

G

后——在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）。



电压UG超过阈值电压Uth时——形成反型层（沟道）。

图7-26 CCD栅极电压U

G

的变化对P型Si耗尽区的影响

电荷包的存储：CCD单元能够存储电荷包、其存储能力可通过调节U

G

而加以控制。

图7-27 注入电荷包时，势阱深度随之变化的示意图

每个金属栅极下的势阱中能够存储的最大（信息）电荷量为：

QC

ox

U

G

A

d

（7-8）

CCD中电荷包的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷而变浅的）势阱转入相邻

的深势阱。

三相CCD中电荷包的转移过程：



开始时刻电荷包存储在栅极电压为10 V的第1个栅极下的深势阱里，其他栅极

上加有大于阈值的低电压（2 V）；



经时间t

1

后，第1个栅极电压仍保持为10 V，而第2个栅极的电压由2 V→10 V；



栅极靠得很近的两个势阱发生耦合，使原来在第1个势阱中的电荷包被耦合势阱

共享；



在t

2

时刻，第1个栅极的电压由10 V→2 V、第2个栅极的电压仍为10 V，势阱

1收缩，电荷包流入势阱2中。

图7-28 三相CCD中电荷包的转移过程示意图

电荷包的注入方式：



光注入——光束直接照射P型Si-CCD衬底，分为正面照射与背面照射两种。



电注入——当CCD用于信息存储或信息处理时，通过输入端的输入二极管和输入

栅极，把与信号成正比的电荷注入到相应的势阱中。

电流输出方式：如图7-31所示。当电荷包在驱动脉冲的作用下向右转移到最末一个转

移栅极CR2下的势阱中后，若CR2电极上

的电压由高变低，则势阱收缩，电荷包通过

栅极OG下面的沟道进入N

+

区。N

+

区对电

子来说相当于一个深势阱，进入N

+

区后的

电荷包将被迅速拉走而产生电流I

d

。因此A

点的电位U

A

（＝U

D

-I

d

·R）发生变化。进入

二极管的电量Q

s

越大，I

d

越大，U

A

下降越

厉害。利用U

A

的变化来检测Q

s

。隔直电容

C将U

A

的变化量取出，并通过场效应放大

器的OS端输出。

图7-31 电流输出方式电路图

CCD工作过程概述：先将半导体产生

的（与照度分布相对应）信号电荷注入到势

阱中，再通过内部驱动脉冲控制势阱的深浅，使信号电荷沿沟道朝一定的方向转移，最后经

输出电路形成一维时序信号。

的主要特性参数

电荷转移效率 一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比。

Q





1

（7-9）

Q

0

电荷转移损失率





转移效率



是电荷耦合器件能否实用的重要因素。

暗电流：CCD在无光注入也无电注入情况下的输出信号。

暗电流的主要来源：



半导体衬底的热激发；



耗尽区内的产生-复合中心的热激发（此为主要原因）；



耗尽区边缘的少数载流子的热扩散；



SiO

2

/Si界面处的产生-复合中心的热激发。

灵敏度：投射在光敏像元上的单位辐射功率所产生的输出信号电压或电流。

U

s

（7-12）

Φ

平均量子效率：在整个波长范围内的灵敏度。

光谱响应：CCD光谱响应与光敏面结构、

光束入射角及各层介质的折射率、厚度、消光

系数等多个因素有关。

光电特性：输出电压与输入照度之间的关

系。对于Si-CCD，在低照度下，其输出电压与

输入照度有良好的线性关系；而当输入照度超

过100 lx以后，输出有饱和现象。

CCD的噪声：主要包括散粒噪声、转移噪

声和热噪声。

分辨率：实际中，CCD器件的分辨率一般

用像素数表示，像素越多，则分辨率越高。

极限分辨率：空间采样频率的一半。

调制传递函数（MTF）：取决于器件结构（像

图7-32 四种不同CCD的光谱响应特征曲线

素宽度、间距）所决定的几何MTF

1

、光生载流

①前照式单层多晶硅；②减薄背照式；

子横向扩散衰减决定的MTF

D

和转移效率决定

③前照式虚相结构；④前照式多晶硅/透明金属氧化物型

的MTF

T

，总的MTF是三项的乘积。CCD总的

MTF随图像中各成分空间频率的提高而下降。

三相CCD工作频率的下限：

1

f

min



（7-13）

3



c

三相CCD工作频率的上限：

1

f

max1



（7-14）

3



g

CCD器件的动态范围：势阱中可以存储的最大电荷量（或输出的饱和电压U

sat

）与暗场

（无光信号）情况下的噪声峰-峰值电压U

p-p

之比。动态范围表征CCD器件能够正常工作的

照度范围。增大动态范围的途径是降低暗电流，特别是控制暗电流尖峰。

3.电荷耦合摄像器件

电荷耦合摄像器件 一类可将二维光学图像转换为一维时序电信号的功能器件，由光电

探测器阵列和CCD移位寄存器两个功能部分组成，简称为CCD。可分为线阵和面阵两大类

型。

Q

0

Q

1

1



Q

0

（7-10）

S

v



2024年6月5日发(作者：暨凌寒)

7.3 固体摄像器件

7.3.1 电荷耦合器件

1.电荷耦合器件的结构与工作原理

电荷耦合器件 以电荷作为信号载体的半导体光电器件，简称CCD。

CCD的分类：



表面沟道电荷耦合器件（SCCD）——信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界

面，并沿界面传输。



体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）——信号电荷存储在离半导体表面一

定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。

CCD的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS结构）。

CCD线阵：由多个像素（一个MOS单元称为一个像素）组成。

图7-25 CCD的单元与线阵结构示意图

MOS电容器的电学特性：



栅极未加电压时——P型Si内的多数载流子（空穴）均匀分布。



栅极施加正电压U

G

后——在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）。



电压UG超过阈值电压Uth时——形成反型层（沟道）。

图7-26 CCD栅极电压U

G

的变化对P型Si耗尽区的影响

电荷包的存储：CCD单元能够存储电荷包、其存储能力可通过调节U

G

而加以控制。

图7-27 注入电荷包时，势阱深度随之变化的示意图

每个金属栅极下的势阱中能够存储的最大（信息）电荷量为：

QC

ox

U

G

A

d

（7-8）

CCD中电荷包的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷而变浅的）势阱转入相邻

的深势阱。

三相CCD中电荷包的转移过程：



开始时刻电荷包存储在栅极电压为10 V的第1个栅极下的深势阱里，其他栅极

上加有大于阈值的低电压（2 V）；



经时间t

1

后，第1个栅极电压仍保持为10 V，而第2个栅极的电压由2 V→10 V；



栅极靠得很近的两个势阱发生耦合，使原来在第1个势阱中的电荷包被耦合势阱

共享；



在t

2

时刻，第1个栅极的电压由10 V→2 V、第2个栅极的电压仍为10 V，势阱

1收缩，电荷包流入势阱2中。

图7-28 三相CCD中电荷包的转移过程示意图

电荷包的注入方式：



光注入——光束直接照射P型Si-CCD衬底，分为正面照射与背面照射两种。



电注入——当CCD用于信息存储或信息处理时，通过输入端的输入二极管和输入

栅极，把与信号成正比的电荷注入到相应的势阱中。

电流输出方式：如图7-31所示。当电荷包在驱动脉冲的作用下向右转移到最末一个转

移栅极CR2下的势阱中后，若CR2电极上

的电压由高变低，则势阱收缩，电荷包通过

栅极OG下面的沟道进入N

+

区。N

+

区对电

子来说相当于一个深势阱，进入N

+

区后的

电荷包将被迅速拉走而产生电流I

d

。因此A

点的电位U

A

（＝U

D

-I

d

·R）发生变化。进入

二极管的电量Q

s

越大，I

d

越大，U

A

下降越

厉害。利用U

A

的变化来检测Q

s

。隔直电容

C将U

A

的变化量取出，并通过场效应放大

器的OS端输出。

图7-31 电流输出方式电路图

CCD工作过程概述：先将半导体产生

的（与照度分布相对应）信号电荷注入到势

阱中，再通过内部驱动脉冲控制势阱的深浅，使信号电荷沿沟道朝一定的方向转移，最后经

输出电路形成一维时序信号。

的主要特性参数

电荷转移效率 一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比。

Q





1

（7-9）

Q

0

电荷转移损失率





转移效率



是电荷耦合器件能否实用的重要因素。

暗电流：CCD在无光注入也无电注入情况下的输出信号。

暗电流的主要来源：



半导体衬底的热激发；



耗尽区内的产生-复合中心的热激发（此为主要原因）；



耗尽区边缘的少数载流子的热扩散；



SiO

2

/Si界面处的产生-复合中心的热激发。

灵敏度：投射在光敏像元上的单位辐射功率所产生的输出信号电压或电流。

U

s

（7-12）

Φ

平均量子效率：在整个波长范围内的灵敏度。

光谱响应：CCD光谱响应与光敏面结构、

光束入射角及各层介质的折射率、厚度、消光

系数等多个因素有关。

光电特性：输出电压与输入照度之间的关

系。对于Si-CCD，在低照度下，其输出电压与

输入照度有良好的线性关系；而当输入照度超

过100 lx以后，输出有饱和现象。

CCD的噪声：主要包括散粒噪声、转移噪

声和热噪声。

分辨率：实际中，CCD器件的分辨率一般

用像素数表示，像素越多，则分辨率越高。

极限分辨率：空间采样频率的一半。

调制传递函数（MTF）：取决于器件结构（像

图7-32 四种不同CCD的光谱响应特征曲线

素宽度、间距）所决定的几何MTF

1

、光生载流

①前照式单层多晶硅；②减薄背照式；

子横向扩散衰减决定的MTF

D

和转移效率决定

③前照式虚相结构；④前照式多晶硅/透明金属氧化物型

的MTF

T

，总的MTF是三项的乘积。CCD总的

MTF随图像中各成分空间频率的提高而下降。

三相CCD工作频率的下限：

1

f

min



（7-13）

3



c

三相CCD工作频率的上限：

1

f

max1



（7-14）

3



g

CCD器件的动态范围：势阱中可以存储的最大电荷量（或输出的饱和电压U

sat

）与暗场

（无光信号）情况下的噪声峰-峰值电压U

p-p

之比。动态范围表征CCD器件能够正常工作的

照度范围。增大动态范围的途径是降低暗电流，特别是控制暗电流尖峰。

3.电荷耦合摄像器件

电荷耦合摄像器件 一类可将二维光学图像转换为一维时序电信号的功能器件，由光电

探测器阵列和CCD移位寄存器两个功能部分组成，简称为CCD。可分为线阵和面阵两大类

型。

Q

0

Q

1

1



Q

0

（7-10）

S

v

