奧林巴斯電荷耦合器件(CCD)的結(jié)構(gòu)圖
電荷耦合器件（ccd）是基于硅的集成電路，由密集的光電二極管矩陣組成，該矩陣通過將光子形式的光能轉(zhuǎn)換為電荷來工作。由光子與硅原子相互作用產(chǎn)生的電子被存儲在勢阱中，隨后可以通過寄存器在芯片上傳輸并輸出到放大器。圖1所示的示意圖顯示了組成典型ccd解剖結(jié)構(gòu)的各種組件。
ccd是貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家于1960年代后期發(fā)明的，他們初將這種想法設(shè)想為一種新型的計(jì)算機(jī)存儲電路。后來的研究表明，該設(shè)備由于具有轉(zhuǎn)移電荷的能力以及與光的光電相互作用，對于其他應(yīng)用（如信號處理和成像）也很有用。新型存儲設(shè)備的早期希望幾乎消失了，但ccd已成為通用電子成像檢測器的主要候選者之一，該電子檢測器能夠替代新興的數(shù)字顯微成像領(lǐng)域的膠片。
ccd是在類似于集成電路的硅晶片上制造的，它通過一系列復(fù)雜的光刻步驟進(jìn)行處理，這些步驟包括蝕刻，離子注入，薄膜沉積，金屬化和鈍化，以定義器件內(nèi)的各種功能。硅基板被電摻雜以形成p型硅，p型硅是其中主載流子為帶正電的電子空穴的材料。在用金剛石鋸切割之前，在每個(gè)晶片上制造多個(gè)裸片，每個(gè)裸片都可以生產(chǎn)工作裝置，然后進(jìn)行測試，然后將其封裝到帶有玻璃或石英窗的陶瓷或聚合物外殼中，光可以通過該窗口照亮光電二極管陣列在ccd表面上。
當(dāng)紫外線，可見光或紅外光子撞擊位于ccd光電二極管中或附近的硅原子時(shí)，通常會產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)由硅晶格中電子暫時(shí)不存在而產(chǎn)生的“空穴”。然后將自由電子收集在勢阱中（位于耗盡層所在區(qū)域的硅深處），同時(shí)迫使空穴遠(yuǎn)離阱，將其轉(zhuǎn)移到硅襯底中。各個(gè)光電二極管通過通道停止器與其相鄰器件電隔離，該通道停止器是通過將硼離子通過掩模擴(kuò)散到p型硅襯底中而形成的。
ccd的主要結(jié)構(gòu)特征是大量的串行移位寄存器，這些移位寄存器由垂直堆疊的摻雜多晶硅導(dǎo)電層構(gòu)成，該導(dǎo)電層通過二氧化硅絕緣薄膜與硅半導(dǎo)體襯底隔開（見圖2）。在陣列的每個(gè)光電二極管內(nèi)收集了電子之后，將電壓電勢施加到多晶硅電極層（稱為柵極），以改變下面的硅的靜電電勢。然后，直接位于柵電極下方的硅襯底變成勢能阱，其能夠收集由入射光產(chǎn)生的局部產(chǎn)生的電子。相鄰的柵極通過形成較高勢能的區(qū)域（稱為勢壘）來幫助將電子限制在勢阱內(nèi)，井周圍。通過調(diào)制施加到多晶硅柵極的電壓，可以對它們施加偏壓，以形成勢阱或?qū)怆姸O管收集的積分電荷的勢壘。
常見的ccd設(shè)計(jì)具有一系列門元件，這些門元件通過在水平行中排列的三個(gè)勢阱將每個(gè)像素細(xì)分為三分之二。每個(gè)光電二極管的勢阱都能容納許多電子，這些電子決定了ccd動態(tài)范圍的上限。在被稱為積分的一段時(shí)間內(nèi)被入射光子照射后，ccd光電二極管陣列中的勢阱被在硅襯底的耗盡層中產(chǎn)生的電子充滿。通過將累積電荷串行和并行傳輸?shù)叫酒吘壍膯蝹€(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的組合，可以完成對所存儲電荷的測量。并行電荷轉(zhuǎn)移的速度通常足以在下一個(gè)圖像的電荷積分期間完成。
在被收集到勢阱中之后，電子通過垂直移位寄存器時(shí)鐘產(chǎn)生的信號平行移動，一次移動一行。電子以多步過程（從兩步到四步不等）跨過每個(gè)光電二極管傳輸。通過將保持阱的電位更改為負(fù)值，同時(shí)將下一個(gè)電極的偏壓增加到正值，可以實(shí)現(xiàn)此偏移。垂直移位寄存器時(shí)鐘周期地操作以改變垂直柵極的交替電極上的電壓，從而使累積的電荷跨過ccd移動。圖1示出了與位于一行ccd柵極內(nèi)的傳輸柵極相鄰的光電二極管電勢良好。
遍歷并行移位寄存器門陣列后，電荷到達(dá)稱為串行移位寄存器的專門門行。在此，代表每個(gè)像素的電子包在水平移位寄存器時(shí)鐘的控制下依次水平移位到輸出放大器并移出芯片。水平移位寄存器的全部內(nèi)容在從并行寄存器加載下一行電荷包之前被傳輸?shù)捷敵龉?jié)點(diǎn)。在輸出放大器中，電子包在從行開始到后一行的單行中記錄從左到右連續(xù)的光電二極管產(chǎn)生的電荷量。這將對來自光電二極管傳感器元件的整個(gè)二維陣列的光生電荷進(jìn)行模擬光柵掃描。
在我們對“ 數(shù)字成像技術(shù)的概念”的回顧中，其他章節(jié)將討論各種各樣的ccd元件和設(shè)計(jì)。其中包括幾個(gè)建筑圖案，防起霜的電子漏極，微透鏡陣列，像素合并，時(shí)鐘方案，掃描格式，以及對電荷耦合器件的理論和操作有基本了解的其他主題。
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詳細(xì)解讀精密數(shù)控外圓磨床的主要組成結(jié)構(gòu)
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ccd是在類似于集成電路的硅晶片上制造的，它通過一系列復(fù)雜的光刻步驟進(jìn)行處理，這些步驟包括蝕刻，離子注入，薄膜沉積，金屬化和鈍化，以定義器件內(nèi)的各種功能。硅基板被電摻雜以形成p型硅，p型硅是其中主載流子為帶正電的電子空穴的材料。在用金剛石鋸切割之前，在每個(gè)晶片上制造多個(gè)裸片，每個(gè)裸片都可以生產(chǎn)工作裝置，然后進(jìn)行測試，然后將其封裝到帶有玻璃或石英窗的陶瓷或聚合物外殼中，光可以通過該窗口照亮光電二極管陣列在ccd表面上。
當(dāng)紫外線，可見光或紅外光子撞擊位于ccd光電二極管中或附近的硅原子時(shí)，通常會產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)由硅晶格中電子暫時(shí)不存在而產(chǎn)生的“空穴”。然后將自由電子收集在勢阱中（位于耗盡層所在區(qū)域的硅深處），同時(shí)迫使空穴遠(yuǎn)離阱，將其轉(zhuǎn)移到硅襯底中。各個(gè)光電二極管通過通道停止器與其相鄰器件電隔離，該通道停止器是通過將硼離子通過掩模擴(kuò)散到p型硅襯底中而形成的。
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