CCD的基本结构和工作原理

CCD的基本结构和工作原理电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。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。CCD有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的依，并在半导体体沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。下面以SCCD为主讨论CCD的基本工作原理。1.CCD的基本结构构成CCD的基本单元是MOS（金属一氧化物一半导体）结构。如图2-7（a）所示，它是在P型Si衬底表面上用氧化的生成1层厚度约为1000A〜1500入的SiOz,再在SiO：表面墓镀一金属层（多晶硅），在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入p型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子一空穴对，电子一空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷存储在由电极组成的"势阱”中。如图1所示。沟阻化物si。】势阱紅尽区（豹阱）（a）图1CCD的基本单元(b)电荷存储如图2@）所示，在栅极G施加正偏压山之前，p型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。当栅极施加正偏压山（此时Ug小于p型半导体的阈值电压UQ后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2（b）所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体延伸。当Uc>U.h时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用①，表示）变得如此之高，以致于将半导体体的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一层极薄的（约10*in）电荷浓度很高的反型层，如图2（c）所示。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。然而，当姗极电压由零突变到高于阈值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，筑化层上的电压增加。当提供足够的少数载流子时，表面势可降低到半导体材料费密能级①f的两倍。例如，对于掺杂为lO^cm^的p型半导体，费密能级为0.3V。耗尽区收缩到最小时，表面势下降到最低值0.6V,其余电压降在負化层上。耗尽区(b)Ug>5图2单个CCD柵极电压变化对耗尽区的影响(a)栅极电压为零：(b)栅极电斥小于阈值电斥：(c)栅极电压大于阈值电压表面势随反型层电荷浓度Qz、栅极电压山的变化如图3和图4所示。图3中的曲线表示的是在掺杂为102lcm:，的情况下，对于氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时，表面势①s与栅极电压山的关系曲线。图4为栅极电压不变的情况下，表面势①,与反型层电荷浓度Qixv的关系曲线。图4表面势Cs与反型层电荷密度Qiny的关系图3表而势与柵极电压UG的关系(P型硅杂质浓度NA=l(Pcm-3,反型层电荷Qinv=O)(1)曲线的直线性好，说明表面势与反型层电荷浓度有着良好的反比例线性关系。这种线性关系很容易用半导体物理中的''势阱”概念描述。电子所以被加有栅极电压Uc的MOS结构吸引到氧化层与半导体的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与柵极电压5的关系恰如①s与讥的线性关系，如图5(a)空势阱的情况。图5(b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势①，与反型层电荷浓度Qw间的关系如图2-10所示。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，©s降到2①“此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生"溢出”现象。这样，表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压止、氧化层的厚度ck有关，即与MOS电容容量C値与Uc的乘积有关。势阱的橫截面积取决于栅极电极的面积A。MOS电容存储信号电荷的容量Q=CoxUg・A10V图5势阱(a)空势阱:(b)填充1/3的势阱;(0全满势阱电荷耦合图6表示一个三相CCD中电荷转移的过程。③①②③(d)如厂匸n:4>»I分析

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