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1、CCD結(jié)構(gòu)及工作原理1CCD的物理基礎(chǔ)11.1MOS電容的熱平衡態(tài)特性21.2MOS電容的非平衡態(tài)特性42CCD的組成及其工作原理52.1CCD的組成52.2電荷轉(zhuǎn)移溝道93CCD傳感器的類型103.1線型CCD103.2面型CCD114幾種國(guó)外CCD圖像傳感器介紹114.1超高分辨力線陣CCD圖像傳感器114.2幀轉(zhuǎn)移面型CCD圖像傳感器114.3低光度CCD圖像傳感器114.4高分辨力大面陣CCD圖像傳感器114.5CCD485固體全幀傳感器114.6松下推出高速CCD圖像傳感器124.7ITO-CCD圖像傳感器124.8電子倍增CCD圖像傳感器12
2、4.9紫外CCD圖像傳感器121CCD的物理基礎(chǔ)CCD是由按照一定規(guī)律、緊密排列起來(lái)的金屬絕緣半導(dǎo)體(MIS(MetalInsulatorSemiconductor))電容陣列組成的，MIS電容結(jié)構(gòu)是CCD的基本組成部分。CCD的工作原理是建立在MIS電容理論之上，依靠在MIS電容器上儲(chǔ)存電荷載流子和轉(zhuǎn)運(yùn)電荷載流子。所以，在論文的開(kāi)始部分首先分析一下MIS電容結(jié)構(gòu)特性，這將有利于理解CCD的工作機(jī)理。圖1MIS電容結(jié)構(gòu)MIS電容結(jié)構(gòu)如圖1所示，它十分類似于金屬--絕緣體--金屬M(fèi)IM(Metal13InsulatorMetal)平行板電容器，但有許多不同
3、之處。例如在MIM電容器的兩個(gè)金屬板上施加電壓時(shí)，充電電荷分布在緊靠絕緣體的原子層厚度內(nèi)，其電壓全部降落在絕緣體內(nèi)。而對(duì)MIS電容器施加電壓時(shí)，因半導(dǎo)體中的電荷密度遠(yuǎn)小于金屬的電荷密度，所以在半導(dǎo)體一側(cè)，其電荷分布在半導(dǎo)體表面一定厚度的層內(nèi)，所加的電壓一部分降落在絕緣層內(nèi)，另一部分則將降落在半導(dǎo)體表面的空間電荷層中[5]。此時(shí)在半導(dǎo)體中有兩種極性不同的載流子即電子和空穴，而且其濃度相差很大(如在硅中，多子和少子濃度往往相差倍)，因此，在MIS電容器上施加極性相反的電壓時(shí)，半導(dǎo)體表面電荷層各處的電荷極性、分布和厚度大不相同。(a)MIS電容器(b)電場(chǎng)隨深
4、度變化圖圖2MIS電容器及電場(chǎng)(電勢(shì))隨深度變化圖如圖2所示，若給MIS電容器上施加正向電壓咋(此時(shí)金屬極板上帶正電荷，半導(dǎo)體上帶負(fù)電荷)，在它們之間的絕緣層上將建立起電場(chǎng)，但是因?yàn)榘雽?dǎo)體中的自由載流子密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬的自由電子密度，所以半導(dǎo)體中的電荷就要擴(kuò)展到相當(dāng)厚的一層，即垂直電場(chǎng)的存在使半導(dǎo)體表面內(nèi)形成具有相當(dāng)厚度的空間電荷區(qū)，它起著對(duì)電場(chǎng)的屏蔽作用，使電場(chǎng)由界面開(kāi)始逐漸減小，直到空間電荷區(qū)的邊界，電場(chǎng)幾乎被全部屏蔽。1.1MOS電容的熱平衡態(tài)特性可見(jiàn)光CCD是以硅為基體材料的，絕緣體就是硅的氧化物，所以常為MOS電容結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出P型半導(dǎo)體
5、表面處能帶結(jié)構(gòu)的變化情況。圖中為導(dǎo)帶底，為帶頂，為費(fèi)米能級(jí)，為半導(dǎo)體在本征導(dǎo)電情況的13，它位于禁帶中央附近。(a)體內(nèi)能帶(b)表面耗盡層(c)表面積累層(d)表面反型層圖3p型半導(dǎo)體表面處能帶結(jié)構(gòu)的變化如果表面的存在對(duì)電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有任何影響的話。如圖3(a)所示，水平能量線將一直延伸到表面，并與表面垂直。但實(shí)際上表面的存在不可能不影響到表面附近的電子運(yùn)動(dòng)和表面附近的能帶結(jié)構(gòu)，表面附近的電子能量也不可能與體內(nèi)的能量完全一樣，而且表面常常不可避免的有電荷吸附。在MOS結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體與絕緣體的交界面上也由于晶格結(jié)構(gòu)不連續(xù)而出現(xiàn)局域化電子能級(jí)，因而帶有一定電荷
6、.在絕緣體內(nèi)甚至在外表面也可能有電荷存在。所有這些電荷總的效果相當(dāng)于是在半導(dǎo)體表面施加了一個(gè)電場(chǎng)，使得體內(nèi)接近界面處的電子能帶發(fā)生變化，從而使表面層內(nèi)的電荷重新分布。如果界面上以及氧化層內(nèi)總的有效電荷為負(fù)電荷，那么它的電場(chǎng)將排斥電子而吸引空穴，這樣接近表面的電子能量增大。如圖3(c)所示，表面處能帶向上彎曲，近表面處空穴濃度增大。也就是表面層內(nèi)積累了相當(dāng)數(shù)量的空穴和表面上的負(fù)電荷，所以表面層稱做“積累層”。反之，如果界面上以及氧化層內(nèi)總的有效電荷為正電荷，則近表面的電子能量降低，能帶將向下彎曲。如圖3(b)13所示，空穴被電場(chǎng)驅(qū)向體內(nèi)，在表面層內(nèi)留下帶負(fù)
7、電的受主離子。能帶彎曲的結(jié)果是使表面層剩下的負(fù)的受主離子及少量電子來(lái)中和表面上的正電荷。在這一表面層內(nèi)，載流子都被電場(chǎng)驅(qū)開(kāi)，通常稱為“耗盡層”或“空間電荷層”，能帶彎曲部分的深度就是耗盡層厚度W。如果表面及氧化層內(nèi)的正電荷密度更大(外加電壓情況)，則能帶在表面處的向下彎曲將更為嚴(yán)重，以致于在表面形成一層反型層。如圖3(d)所示。從表面到與相交點(diǎn)的一薄層內(nèi)變成n型導(dǎo)電，在n型層與體內(nèi)P型導(dǎo)電區(qū)之間仍是耗盡層，兩層總厚為W。通常以體內(nèi)的為電勢(shì)的零點(diǎn)，在表面上相對(duì)于的位置稱為表面勢(shì)。能帶向上彎曲表面勢(shì)為負(fù)，能帶向下彎曲表面勢(shì)為正。1.2MOS電容的非平衡態(tài)特性
8、接下來(lái)仍以P型半導(dǎo)體為例，若以外加電壓的正極接到柵極，負(fù)極接到半導(dǎo)體的底板使半導(dǎo)
