圖 1：CCD 上的電荷轉移示意圖。(A) 當傳感器暴露在光線下時，不同數量的光電子會積聚在傳感器內的像素上。每一排電子使用正電壓向下移動一排。(B) 通過將正電壓分散在相鄰像素(在同一列中)以將它們轉移到新像素上來移動電子。這將一直持續到sensr，直到它們被轉移到讀出寄存器。(C) 位于底行的電子被轉移到讀出寄存器中。(D) 一旦進入讀出寄存器，電子就會通過正電荷逐列水平移動，直到它們到達輸出節點，在那里它們被放大和數字化。重復此過程，直到整個傳感器沒有電子。然后，傳感器可以再次暴露在光線下以獲取新圖像。

介紹

CCD是一種成像設備，用于檢測光子，將其轉換為光電子并移動電荷。它們由蝕刻集成電路的硅表面組成。這個蝕刻表面形成一個像素陣列，收集入射的光子，產生光電子。這些光電子帶負電荷，因此可以沿著傳感器移動到讀出寄存器，在那里它們可以被放大并轉換為數字灰度電平。這個過程稱為電荷轉移，如圖1(A，B)所示。

當電子從傳感器向下移動到讀出寄存器(圖1C)時，它們會水平地從寄存器移動到輸出節點(圖1D)。然后，它們被傳輸到電容器、放大器和模數轉換器，最后傳輸到顯示圖像的成像軟件。

通過保持輸出節點讀取電子的順序來創建準確的圖像，從而確定它們在傳感器上的位置。但是，此過程有幾個限制，這些限制會大大減慢CCD可以運行的過程(即幀速率或每秒幀數)：? 每個傳感器只有一個輸出節點：每個像素都必須通過這個節點，進行放大和數字化。此過程會為每個像素引入讀取噪聲。

? 如果傳輸速度過快，電子會相互排斥：這可以通過限制電子傳輸的速度來防止，但這會進一步延遲讀數

? 在下一次曝光和圖像的下一幀之前，需要清除整個傳感器的電子：一些 CCD 需要機械快門來阻擋光線，以便可以清除傳感器，從而引入壽命較短的緩慢移動部件。

為了盡量減少這些速度限制，我們設計了幾種不同的CCD傳感器格式，使該過程更加高效和簡化。圖 1 所示的過程稱為全畫幅 CCD，但也有幀傳輸和行間傳輸 CCD，如圖 2 所示。

圖 2：示意圖顯示了光電子從 CCD 轉移的三種常見方式。(A) 全畫幅，其中整個畫幅都是光敏的，任何累積的電荷都必須垂直傳輸到傳感器的讀出寄存器中。(B) 幀傳輸，其中一半的傳感器被遮蔽(對光不敏感)，允許快速電荷轉移。 (C) 聯行傳輸，其中使用感光像素和不敏感像素的交替條帶，以實現快速電荷傳輸，而不會有電荷拖尾的風險。

全幀傳輸

全畫幅傳輸CCD具有完整的感光像素陣列，可以檢測入射光子。然后，傳感器上累積的電荷必須成行垂直傳輸到輸出寄存器進行讀出。一旦來自一行的電荷被轉移到輸出寄存器，它必須水平移動以單獨讀出每個像素(圖2A)。

全畫幅傳輸CCD是最簡單的傳感器形式，靈敏度高;然而，它們的掃描速度很慢，因為每一行都需要單獨讀出，并且傳感器需要完全清除電子，然后才能獲取另一個圖像。它們還可能累積電荷拖尾，這是由于在傳輸過程中光線落在傳感器上引起的，但這可以通過使用機械快門來克服。

幀傳輸

幀傳輸CCD具有一個并行寄存器，該寄存器分為圖像收集陣列和存儲陣列(圖2B)。通常，這兩個陣列的尺寸相同，通常會導致傳感器高度增加一倍，以防止光敏傳感器面積減少。圖像陣列暴露在光線下后，整個圖像會迅速移動到存儲陣列。

當存儲陣列被系統電子設備讀取時，圖像陣列會為下一個圖像集成電荷。要使此傳輸系統正常工作，需要有兩組并行寄存器時鐘，它們獨立地轉移映像或存儲陣列上的電荷。這允許在高幀率下在沒有快門的情況下連續操作。然而，在光敏陣列和掩蔽陣列之間使用幀傳輸CCD時仍可能發生電荷拖尾，但不會達到全幀傳輸CCD的程度。

聯運換乘

行間傳輸CCD具有像素的感光部分和掩膜部分的交替平行條帶(圖2C)。這些交替的條帶允許在圖像采集完成后立即快速移動任何累積的電荷。由于這個過程非常快，因此消除了電荷拖尾的可能性，并且可以快速連續拍攝圖像。

然而，由于每個像素的掩蔽使每個像素有效地變小，從而降低了傳感器的靈敏度。微透鏡陣列可用于克服這個問題，增加每個有效像素可以捕獲的光量。

深度耗盡型 CCD

硅基CCD針對可見光波長范圍(400-700 nm)的光子進行了優化。傳統硅CCD無法檢測到近紅外(NIR)范圍(>700 nm)內的波長，因為波長越長，光子在產生信號電荷之前在硅結構中傳播得越深。

然而，較厚的硅傳感器(稱為深度耗盡CCD傳感器)能夠檢測近紅外波長和更高能量的X射線，因為它們提供了足夠的材料來產生這些較長波長的信號電荷，如圖4所示。這使得深度耗盡CCD非常適合需要可見光和近紅外光譜的應用。

圖 4：深度耗盡型 CCD 由較厚的硅制成，因此能夠檢測深入硅片的近紅外波長，這與典型的耗盡型 CCD 不同，后者從可見光中產生大部分信號。

HiRho CCD

標準和深度耗盡硅傳感器通常由塊狀硅襯底組成，其上生長著外延層。這些外延層通過沉積工藝整合到器件中，其中摻雜的硅生長到現有的塊狀硅襯底上(圖 5)。

硅襯底和摻雜硅層將是n型或p型硅。當純硅有意摻雜不同的元素以控制材料的電學、結構和光學特性時，就會形成這些類型的硅。

當純硅摻雜砷或磷時，就會形成N型硅。這些元素在其外軌道上有 5 個電子，因此能夠在硅結構內形成 4 個鍵，并且仍然具有自由鍵以移動任何電流。這使得 n 型硅帶負電。P型硅摻雜了硼或鎵，兩者的外軌道上都有3個電子。因此，它們形成“空穴”，因為相鄰硅原子外軌道中的一個電子沒有任何東西可以結合，從而產生正電荷。它們仍然能夠傳導電流，因為它們可以接受來自相鄰原子的電子。

在制造CCD半導體時，沉積的外延層必須與硅襯底不同。因此，n型外延層將沉積在p型硅襯底上，反之亦然。這樣可以產生具有中等電阻率且相對較薄的高質量傳感器。

圖5：顯示氣相(即使用氣體)外延層生長的示意圖。步驟1：試劑和載氣被吸附在硅襯底上。吸附是指固體捕獲溶質、液體或氣體分子以形成薄膜。步驟2： 然后，這些元件在硅襯底表面發生成核。成核是自組裝表面的初始形成。 步驟3：任何未反應的產物和載氣都會從表面解吸。步驟4：此過程一直持續到形成層為止。圖像不按比例，改編自 M. Powell [1]。

然而，對于高 QE，甚至進一步進入紅色區域，需要具有更厚損耗的器件。這種更深的耗盡是由器件的工作電壓和基板的電阻率決定的，較高的電壓和電阻率會產生更厚的耗盡區域。

HiRho傳感器由外延層組成，該外延層通過沉積工藝生長到電阻率非常高的塊狀硅襯底上。這些器件還可以在更高的電壓下工作，這意味著這些器件能夠在硅內提供更厚的耗盡區。這使得 HiRho 設備能夠檢測更深的紅色區域波長，在 900 nm 處具有 >95% 的 QE。

總結

CCD是由硅襯底和沉積外延層組成的硅基傳感器。它蝕刻在硅表面上的集成電路以形成像素陣列，這些像素計算入射光子的數量并將其轉換為光電子。這些電子向下傳輸到傳感器，直到它們被讀出并數字化以在成像軟件上顯示圖像。

CCD傳感器有多種格式，旨在簡化光電子傳輸過程：全畫幅、幀和行間傳輸。全畫幅利用整個傳感器來收集光子，但讀出速度要慢得多，因為在獲取新圖像之前必須清除所有電子。

幀傳輸利用并行寄存器的優勢，使其高度增加一倍，可快速將任何檢測到的光子轉移到存儲陣列上，而不會影響受光區域的大小。然而，這些傳感器通常更昂貴，并且容易受到偽影的影響。

行間傳輸使用交替的平行條帶，其中每個像素的一部分被遮蔽在光線下，從而實現快速傳輸，而不會出現任何電荷拖尾。然而，這減少了光敏區域，并使每個像素的集光區域更小。

波長>700 nm 需要深度耗盡或 HiRho CCD 才能檢測。由于這些傳感器具有較厚的耗盡區，因此它們對近紅外波長不再透明，因此能夠產生電荷，檢測每個近紅外光子。

審核編輯 黃宇