CCD 电荷耦合器件
Charge-Coupled Device也称 CCD、电荷耦合器件
用时钟控制相邻势阱，把光生电荷包逐站转移到读出端。
速览
约 1 分钟CCD不仅把光变成电荷，还把电荷本身从一个存储位置搬到下一个位置；每次只留下很小的尾巴，长阵列累积后也会损伤图像。
系统理解
约 2 分钟CCD把非平衡MOS势阱的电荷积分与相邻势阱间的时序转移结合起来。电荷包改变井深，扩散、自感漂移与边缘场在不同阶段共同作用；有限时钟时间和陷阱捕获释放使实际转移不能视为理想搬运。
理解CCD先区分光电转换、满阱容量、逐次转移和最终读出。帧转移、行间转移和埋沟道解决的不是同一个问题，也不能用光电二极管或CMOS像素的名称直接替代。
承接MOS电容和光电二极管，补充电荷域存储与串行搬运这一独立器件机制。
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| ηCT | 1 | 单次电荷转移效率 |
| εCT | 1 | 单次电荷转移不完全度 |
| Dn | m²/s | 电子扩散系数 |
常见误区
- CCD只是另一种名字的光电二极管。
- 单级转移效率很高就可以忽略长阵列累计误差。
- 时钟越慢，读出的信号一定越准确。
工程深入
13 条结论 · 3 道例题势阱与积分
未饱和时信号电子数由光子数与收集效率决定
在光通量和有效收集效率近似恒定、暗信号另计的积分窗口中，平均信号电子数等于到达该像素的光子数乘有效效率。电荷量用正的幅值表示；电子电荷本身带负号，不能把计数和有符号电荷混用。12
- 平均信号电子数无量纲
- 相对入射到像素的光子的有效收集效率无量纲
- 整个像素的入射光子速率单位 s⁻¹
- 积分时间单位 s
- 信号电荷单位 C
- 元电荷的正幅值单位 C
成立条件 未满阱、无增益、效率在积分期间近似不变；Φ为整个像素收到的光子速率而非单位面积通量。
例题：动手算一次教学假设，可复算
教学像素的η=0.80、Φ=2.00×10⁴ s⁻¹，积分0.500 s，求平均信号电子数和电荷幅值。
已知
- 效率、光通量与时间都是教学假设；假定未满阱并把暗信号另计。
- q=1.602176634×10⁻¹⁹ C。
步骤
- Nsig = 0.80×2.00×10⁴×0.500 = 8.00×10³先算被有效收集的光生电子数。
- |Qsig| = 1.602176634×10⁻¹⁹×8000 = 1.28×10⁻¹⁵ C转换为电荷幅值，电子的有符号电荷为负。
这是平均光生计数，不包含光子涨落、暗信号和读出噪声。
适用边界 若积分时井深变化使收集效率明显改变，不再直接使用恒定η。
转移机制与效率
两相转移需要结构不对称提供方向性
只把相邻完全对称的栅连接到两相时钟，不能自然保证所需的单向搬运。两相CCD通常用氧化层台阶、掺杂变化或其他结构势差建立方向性，时钟相数和器件结构必须配套。1
成立条件 讨论教材所示两相结构，不排除其他经过设计的时钟与势垒实现。
扩散转移时间具有电极长度平方尺度
在扩散主导的理想转移近似中，存储栅下残余电荷衰减的时间常数与电极长度平方成正比。把电极长度减半可使这一扩散时间尺度降为四分之一，但实际转移还受边缘场、陷阱和时钟波形约束。12
- 扩散转移时间常数单位 s
- 转移方向电极长度单位 m
- 少数电子扩散系数单位 m²/s
成立条件 L是转移方向电极长度，Dn为少数电子扩散系数；不把扩散模型时间常数直接当作完整像素时钟周期。
例题：动手算一次教学假设，可复算
教学模型取Dn=3.00×10⁻³ m²/s，比较L=4.00 μm与2.00 μm的扩散时间常数。
已知
- 参数是教学假设；采用扩散主导模型，不包含陷阱和实际波形。
步骤
- L = 4.00 μm：τth = 4×(4.00×10⁻⁶)²/(π²×0.00300) = 2.16 ns将长度换算成m后代入。
- L = 2.00 μm：τth = 0.540 ns长度减半使时间尺度降到四分之一。
这里只比较扩散尺度，不能据此宣称像素最大工作频率。
适用边界 在自感漂移或边缘场主导时，需要相应输运模型。
单级很小的不完全度会在长链中累积
若每次转移只有固定比例留不在目标主电荷包中，且各级相同，目标主包经过M次转移的保留比例为单级效率的M次方。小不完全度近似下累计偏离与MεCT成正比，但迟后释放的电荷可能进入拖尾，而非全部消失。12
- 目标输出时隙主电荷包的电荷幅值单位 C
- 初始信号电荷幅值单位 C
- 单级转移不完全度无量纲
- 总转移次数无量纲
成立条件 理想相同级模型、无额外增益与背景；εCT表示离开目标时隙的比例。忽略重捕获和信号相关的陷阱占据，不用于精确图像校正。
例题：动手算一次教学假设，可复算
教学链路单级εCT=10⁻⁵，经过2000次转移，初始主包10000电子，目标主包约剩多少？
已知
- 假定每级相同且不完全转移部分不返回目标时隙，不模拟具体陷阱动力学。
步骤
- 保留比例 = (1−10⁻⁵)²⁰⁰⁰ = 0.9801986用连乘精确计算而非把每级直接相加。
- 目标主包 = 10000×0.9801986 ≈ 9802电子；一阶累计偏离约2%MεCT=0.02给出一阶量级。
离开主包的部分可能作为拖尾出现；不能一律称作物理电荷湮灭。
适用边界 实际效率可能依赖信号量、温度和陷阱历史。
噪声与架构边界
陷阱迟后释放会把原像素信号拖到后面的时隙
界面陷阱先捕获再释放电子，释放时间若超出原电荷包经过的窗口，载流子可进入后续包而形成拖尾。因此读出主包变小不必意味着电子永久丢失；陷阱时间常数与时钟节拍必须一起判断。1
成立条件 不把自由电荷转移模型自动当作包含陷阱的完整模型；预填陷阱也会引入背景与信噪比代价。
帧转移与行间转移处理不同的存储和曝光权衡
帧转移把整帧电荷移到独立存储区，行间转移把信号移入相邻转移通道。两者在受光面积、存储布局和搬运期间继续受光产生的拖影上有不同取舍，不能只按相同像素数比较。1
成立条件 讨论教材典型架构；遮光、快门和具体版图会改变实际拖影与有效受光比例。
出处
2 本教材 · 23 处引用- 1
Physics of Semiconductor Devices
- §13.6.1–13.6.2，图24、28，本电子版无可核对印刷页码 支持：CCD同时承担电荷积分与电荷搬运
- §13.6.1，图24、式53–60，本电子版无可核对印刷页码 支持：深耗尽是积分窗口内的非平衡条件
- §13.6.1，式57，本电子版无可核对印刷页码 支持：未饱和时信号电子数由光子数与收集效率决定
- §13.6.1，式58–61，本电子版无可核对印刷页码 支持：电荷累积会使势阱变浅而不是无限增容
- §13.6.2，图28，本电子版无可核对印刷页码 支持：三相时钟通过接收井与释放井的配合推动电荷
- §13.6.2，图29，本电子版无可核对印刷页码 支持：两相转移需要结构不对称提供方向性
- §13.6.2 Charge-Transfer Mechanisms，本电子版无可核对印刷页码 支持：扩散转移时间具有电极长度平方尺度
- §13.6.2，式63–65、图30–31，本电子版无可核对印刷页码 支持：自感漂移和边缘场分别帮助不同阶段的搬运
- §13.6.2，式65–66、图32，本电子版无可核对印刷页码 支持：单级很小的不完全度会在长链中累积
- §13.6.2，式67与界面陷阱说明，本电子版无可核对印刷页码 支持：陷阱迟后释放会把原像素信号拖到后面的时隙
- §13.6.1、§13.6.2 Buried-Channel CCD，图24、33，本电子版无可核对印刷页码 支持：埋沟道减少表面相互作用但不等于消除所有陷阱
- §13.6.1、§13.6.2 Frequency Limitations，本电子版无可核对印刷页码 支持：时钟周期受到搬运完成与暗信号积累的双向约束
- §13.6.1，图25，本电子版无可核对印刷页码 支持：帧转移与行间转移处理不同的存储和曝光权衡
- 2
The Physics of Semiconductors
- §22.3.8，图22.36、22.39，第 698–702 页 支持：CCD同时承担电荷积分与电荷搬运
- §22.3.8，图22.36、式22.55–22.57，第 698–700 页 支持：深耗尽是积分窗口内的非平衡条件
- §22.3.8，式22.57、图22.38，第 699、701 页 支持：未饱和时信号电子数由光子数与收集效率决定
- §22.3.8，式22.57、图22.38，第 699–701 页 支持：电荷累积会使势阱变浅而不是无限增容
- §22.3.8，图22.39，第 701–702 页 支持：三相时钟通过接收井与释放井的配合推动电荷
- §22.3.8，式22.58，第 703 页 支持：扩散转移时间具有电极长度平方尺度
- §22.3.8，式22.59、图22.40，第 703 页 支持：自感漂移和边缘场分别帮助不同阶段的搬运
- §22.3.8，图22.40及长行效率说明，第 703 页 支持：单级很小的不完全度会在长链中累积
- §22.3.8，埋沟道说明，第 704 页 支持：埋沟道减少表面相互作用但不等于消除所有陷阱
- §22.3.8，图22.37、22.40，第 699、701、703 页 支持：时钟周期受到搬运完成与暗信号积累的双向约束
本页结论均已对照来源核对，其中 3 条目前只有一个来源，尚未经过同行专家审阅。发现不准确的地方，请告诉我们。
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