電荷耦合檢測器

?電荷耦合器件(CCD)，是由時鐘脈沖電壓來產(chǎn)生和控制半導(dǎo)體勢阱的變化，實現(xiàn)存儲和傳遞電荷信息的固態(tài)電子器件。

實際上電荷耦合器件 (CCD)是一種用電荷量來表示不同狀態(tài)的動態(tài)移位寄存器。

電荷耦合器件由間隔極小的金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器陣列和適當(dāng)?shù)妮斎?、輸出電路?gòu)成，常見的結(jié)構(gòu)有表面溝道、體溝道和蠕動型等。電荷耦合器件主要應(yīng)用于固態(tài)成像、信號處理和大容量存儲器三個方面。在遙感、雷達(dá)、通信、電子計算機(jī)、電視攝像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。 1969年，美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯在探索磁泡器件的電模擬過程中，產(chǎn)生了電荷耦合器件的原理設(shè)想，并在實驗中得到驗證。他們提出，緊密排列在半導(dǎo)體絕緣表面上的電容器，可用來儲存和轉(zhuǎn)移電荷。初期的CCD存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷的勢阱都位于硅-二氧化硅界面處,即所謂表面溝道CCD。1972年D.康首先設(shè)想了多數(shù)載流子CCD形式,在此基礎(chǔ)上人們研制出體溝道CCD和“蠕動”型CCD的新結(jié)構(gòu),有效地改善了CCD的性能。1973年美國仙童公司制成CCD攝像傳感器，CCD遂從實驗室進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的實用階段。

CCD的雛形是在N型或 P型硅襯底上生長一層二氧化硅薄層，再在二氧化硅層上淀積并光刻腐蝕出金屬電極，這些規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器陣列和適當(dāng)?shù)妮斎?、輸出電路就?gòu)成基本的 CCD移位寄存器。對金屬柵電極施加時鐘脈沖，在對應(yīng)柵電極下的半導(dǎo)體內(nèi)就形成可儲存少數(shù)載流子的勢阱?？捎霉庾⑷牖螂娮⑷氲姆椒▽⑿盘栯姾奢斎雱葳濉Ｈ缓笾芷谛缘馗淖儠r鐘脈沖的相位和幅度，勢阱深度則隨時間相應(yīng)地變化，從而使注入的信號電荷在半導(dǎo)體內(nèi)作定向傳輸。CCD 輸出是通過反相偏置PN結(jié)收集電荷，然后放大、復(fù)位，以離散信號輸出。

電荷轉(zhuǎn)移效率是CCD最重要的性能參數(shù)之一，用每次轉(zhuǎn)移時被轉(zhuǎn)移的電荷量和總電荷量的百分比表示。轉(zhuǎn)移效率限制了CCD的最大轉(zhuǎn)移級數(shù)。

體溝道CCD的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理和表面溝道CCD略有不同。體溝道CCD又稱為埋溝CCD。所謂體溝道即用來存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷的溝道是在離開半導(dǎo)體表面有一定距離的體內(nèi)形成。體溝道 CCD的時鐘頻率可高達(dá)幾百兆赫，而通常的表面溝道CCD只幾兆赫。

固體成像、信號處理和大容量存儲器是 CCD的三大主要用途。各種線陣、面陣像感器已成功地用于天文、遙感、傳真、卡片閱讀、光測試和電視攝像等領(lǐng)域，微光CCD和紅外CCD在航遙空感、熱成像等軍事應(yīng)用中顯示出很大的作用。CCD 信號處理兼有數(shù)字和模擬兩種信號處理技術(shù)的長處，在中等精度的雷達(dá)和通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。CCD還可用作大容量串行存儲器,其存取時間、系統(tǒng)容量和制造成本都介于半導(dǎo)體存儲器和磁盤、磁鼓存儲器之間。

中國于1975年研制出32位 CCD移位寄存器。中國的CCD研制工作主要集中于 CCD成像和信號處理。CCD攝像器在航空攝像、遙控、工業(yè)自動化等部門已獲應(yīng)用。CCD模擬延遲線和抽頭延遲線在雷達(dá)和通信設(shè)備更新中發(fā)揮了重要作用。