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电荷的生成 能带理论复习
硅和锗都是金刚石晶格结构
半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格:每个原子被四个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键。每个电子对组成一个共价键，组成共价键的电子称为价电子。价电子通常位于价带，不能导电。
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
电荷的生成 能带理论复习
能量增加
价带
导带
1.12 eV
硅的能级图
共价键示意图
内容
CCD工作过程
电荷的生成
电荷的收集
电荷包的转移
电荷包的测量
CCD与CMOS比较
小结
CCD的工作过程
1 前照明光输入
1 背照明光输入
2 电荷生成
3 电荷收集
4 电荷转移
5 电荷测量
视频输出
此图摘自 James Janesick “Dueling Detectors”
CCD的性能很大程度上是由电荷图像的生成决定的，CCD电荷图像的生成是CCD工作最重要的过程之一。
电荷的生成
CCD电荷图像的生成过程就是光电转换的过程；
CCD电荷图像的生成机理是半导体的光电效应；
CCD电荷图像的生成理论是固体物理的能带理论。
通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV,砷化镓的Eg＝1.42eV)。
photon
photon
空穴 电子
电荷的生成 能带理论复习
电荷的生成
如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。用公式表示如下:
其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。
2-1
2-2
电荷的生成
光电效应中有一个临界波长（ ），定义为：
当 时，光子没有足够的能量将电子由价带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对于本征(intrinsic)硅有：
这是CCD长波限制，短波如何？
2-3
电荷的生成 能带理论复习
电子一旦被激发到导带，它就可以在单晶硅的晶格附近自由运动了。
电子离开后所形成的空穴成为一个带正电的载流子。
在没有外电场的情况下，这样的一对电子和空穴会在一定时间(复合寿命)内将复合并湮灭。在CCD中，利用一个电场把这些载流子收集起来，防止他们的复合。
如何收集电荷？
电荷的生成 有关参数
与CCD电荷生成过程有关的参数是量子效率(QE)和暗电流。
影响QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission) 等。
影响暗电流的因素主要是温度。
电荷的生成
理想情况下，电极材料应该是完全透明的，实际上这些材料对光都有一些吸收和反射。如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中λ1和λ2所表示的情况。
x： 吸收
y ：复合
材料的吸收系数和反射率与波长有关，在可见光波段，波长越短吸收系数和反射率越大。
图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！
CCD短波限制
与结构及材料有关
厚型前照明 CCD
光在表面电极产生反射和吸收，使这种CCD的量子效率比较低，对蓝光的响应非常差。其电极结构不容许采用提高性能的增透膜技术。增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用。
n-型硅
p-型硅
二氧化硅绝缘层
多晶硅电极
入射光子
625mm
电荷的生成 降低反射

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