基于FPGA的线阵CCD驱动设计+源代码(3)
CCD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。下面分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。
2.1.1 MOS电容器
CCD是一种固态检测器，有多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。CCD一般是以P型硅为衬底，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。如图2.1所示，在电极施加栅极电压UG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压UG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形成势阱。
图2.1 单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响
当处于耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度可以忽略不计的，但如果正栅压UG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。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。反型层的电子来自耗尽层的电子一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。
2.1.2 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，就会产生一个电子一空穴对，其中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。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG的关系恰如表面势VS与栅极电压UG的线性关系，如图2.2(a)所示。图2.2(b)为反型层电荷填充l/3势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，如图2.2(c)所示，此时表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。
图2.2 电荷存储过程中势阱的变化
2.1.3 电荷转移
假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其它电极上均加有大于阈值电压的较低电压(例如2V)。设图2.3(a)为零时刻(初始时刻)，过tl时刻后，各电极上的电压变为如图2.3(b)所示，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，他们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有，如图2.3(b)和2.3(c)所示。若此后电极上的电压变为图2.3(d)所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图2.3(e)。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通过将按一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。图2.3所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图2．3(f)所示。
图2.3 三相CCD中电荷的转移过程
2.1.4 电荷的注入和检测
CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。在此仅讨论与本课题有关的光注入法。光注入就是当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体内产生电子一空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。
CCD利用光电转换功能将投射到CCD上面的光学图像转换为电信号“图像”，即电荷量与照度大致成正比，形成大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。
CCD利用处于表面深耗尽状态的一系列MOS电容器(称为感光单元或光敏单元)收集光产生的少数载流子。另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目与存储电荷的定量关系正是CCD检测器用于对光信号作定量分析的依据。