CCD的构成原理：MOS电容器如何储存信号电荷？

现如今 CCD 这东西可是在好多领域起着大作用，但是它究竟是怎么个情况，好多人心里没准还犯嘀咕。咱们这就深入聊一下它的构造、工作原理这些事。

CCD 基础结构

CCD就是由好些个光敏像元按照一定规律排好组成。每个像元其实就是个 MOS 电容器，大多是光敏二极管。它，是在 P 型 Si 衬底表面用氧化方法弄出一层厚度在 1000A～1500A 左右滴 SiO2 ，然后在这 SiO2 表面蒸镀上一金属层手机 ccd传感器，也就是多晶硅，衬底和金属电极之间加上个偏置电压 ，这就成了个 MOS 电容器。就说现在生产这种部件的厂家，不少都严格按照这样的流程制造。

信号电荷的产生

当有光线照到 MOS 电容器上时，这里面的光子就穿过透明电极还有氧化层，进入 P 型 Si 衬底。衬底里处在价带的电子吸收光子能量就跳到导带。光子进入衬底造成电子跃迁，形成电子 - 空穴对。在外加电场作用下，电子 - 空穴对分别奔向电极两端 ，这就是信号电荷，就跟自然界里的物质在特定条件下会有特定反应一样。这些信号电荷存在电极形成的“势阱”当中。就好比生活里把东西存放在箱子中。

电荷储存容量

MOS 电容器的电荷储存容量是可以算出来。QS = Ci × VG × A 这个式子就能搞定。这里面 QS 是电荷储存量，Ci 是单位面积氧化层的电容，VG 是外加偏置电压，A 是 MOS 电容栅的面积。举例来说，如果某个实验里按照这个公式去算存储的电荷量，得到结果以后就对整个电路设计有了更准确的考量。所以从这能看出，光敏元面积越大，光电灵敏度就越高。

CCD 电荷转移示例

要是搁在一个 3 相驱动工作的 CCD 里头，电荷转移可是个有规律的事。最开始电荷存储在加了 10V 电压的电极①下面的势阱中。加在 CCD 所有电极上的电压通常得高于临界值电压 Vth（像咱们假设这里 Vth = 2V），这样每个电极下面都有一定深度的势阱。假如慢慢把电极②的电压从 2V 加到 10V ，①②两个电极下势阱就变成一样深并且合并，原先电极①下面的电荷就会在两个电极下均匀分布。之前就有工程师在做电路测试的时候详细观察到过这个情况。

电荷完整转移过程

接着呢再慢慢把电极①下面电压降到 2V手机 ccd传感器，它势阱深度一降低，电荷就全部转移到电极②下面势阱里去咧，这就是电荷从电极①到电极②的转移流程。要是电极有好些个，按1、4、7…，2、5、8…和3、6、9…的顺序连起来，加上时序合适的驱动脉冲，就能完成电荷从左到右的转移喇。这就和物流里把货物从一个地方运输到另一个地方，不过这转移更依靠精确地电信号驱动。

3 相 CCD 总结

用 3 相时钟驱动的这种 CCD，就叫做 3 相 CCD。要是工程师了解这套原理后进行设计电路的时候能够更好按照这个特性去合理布局，想想看就能让电路有更高效率来工作，推动整个电子产业向更高层次发展

从上面这一堆内容，大家能看出来 CCD 虽然原理复杂，但是能发挥很大作用。而且科技在不断地发展，以后指不定能冒出更新更好的改进。你对 CCD 的未来发展有啥看法不？觉得它还能在哪些新领域发光发热？