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1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案CCD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCD有兩種基本類型：一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道CCD（簡(jiǎn)稱SCCD）；二是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡(jiǎn)稱BCCD）。下面以SCCD為主討論CCD
2、的基本工作原理。1.CCD的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。如圖2-7(a)所示，它是在p型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000?～1500?的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個(gè)偏置電壓，就構(gòu)成1個(gè)MOS電容器。當(dāng)有1束光線投射到MOS電容器上時(shí)，光子穿過(guò)透明電極及氧化層，進(jìn)入p型Si襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷形成電子－空穴對(duì)，電子－空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作
3、用下，分別向電極的兩端移動(dòng)，這就是信號(hào)電荷。這些信號(hào)電荷存儲(chǔ)在由電極組成的“勢(shì)阱”中。如圖1所示。(a)(b)圖1CCD的基本單元2.電荷存儲(chǔ)如圖2(a)所示，在柵極G施加正偏壓UG之前，p型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓UG（此時(shí)UG小于p型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖2(b)所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸。當(dāng)UG>Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)（常稱為表面勢(shì)，用ΦS表示）變得如此之高，以致于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少
4、數(shù)載流子）吸引到表面，形成一層極薄的（約10-2μｍ）電荷濃度很高的反型層，如圖2(c)所示。反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。然而，當(dāng)柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時(shí)，輕摻雜半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子很少，不能立即建立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向體內(nèi)延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，表面勢(shì)下降，氧化層上的電壓增加。當(dāng)提供足夠的少數(shù)載流子時(shí)，表面勢(shì)可降低到半導(dǎo)體材料費(fèi)密能級(jí)ΦF的兩倍。例如，對(duì)于摻雜為1
5、015cm-3的p型半導(dǎo)體，費(fèi)密能級(jí)為0.3V。耗盡區(qū)收縮到最小時(shí)，表面勢(shì)ΦS下降到最低值0.6V，其余電壓降在氧化層上。文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案圖2單個(gè)CCD柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響(a)柵極電壓為零；(b)柵極電壓小于閾值電壓；(c)柵極電壓大于閾值電壓表面勢(shì)ΦS隨反型層電荷濃度QINV、柵極電壓UG的變化如圖3和圖4所示。圖3中的曲線表示的是在摻雜為1021cm-3的情況下，對(duì)于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時(shí)，表面勢(shì)ΦS與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。圖4為柵極電壓不變的情況下，表面勢(shì)ΦS與反型層
6、電荷濃度QINV的關(guān)系曲線。圖3表面勢(shì)與柵極電壓UG的關(guān)系（p型硅雜質(zhì)濃度NA＝1021cm－3，反型層電荷QINV＝0）圖4表面勢(shì)ΦS與反型層電荷密度QINV的關(guān)系曲線的直線性好，說(shuō)明表面勢(shì)ΦS與反型層電荷濃度QINV有著良好的反比例線性關(guān)系。這種線性關(guān)系很容易用半導(dǎo)體物理中的“勢(shì)阱”概念描述。電子所以被加有柵極電壓UG的MOS結(jié)構(gòu)吸引到氧化層與半導(dǎo)體的交界面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。在沒(méi)有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如ΦS與UG的線性關(guān)系，如圖5(a)空勢(shì)阱的情況。圖5(
7、b)為反型層電荷填充1/3勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮，表面勢(shì)ΦS與反型層電荷濃度QINV間的關(guān)系如圖2-10所示。當(dāng)反型層電荷足夠多，使勢(shì)阱被填滿時(shí)，ΦS降到2ΦF。此時(shí)，表面勢(shì)不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。這樣，表面勢(shì)可作為勢(shì)阱深度的量度，而表面勢(shì)又與柵極電壓UG、氧化層的厚度dOX有關(guān)，即與MOS電容容量COX與UG的乘積有關(guān)。勢(shì)阱的橫截面積取決于柵極電極的面積A。MOS電容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量(1)文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案圖5勢(shì)阱(a)空勢(shì)阱；(b)填充1/3的勢(shì)阱；(c)全滿勢(shì)阱3.電荷耦合（
8、a）（b）（c）（d）（e）（f）(d))圖2-12三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程(a)初始狀態(tài)；(b)電荷由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(c)電荷在①、②電極下均勻分布；(d)電荷繼續(xù)由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到②電極；(f)三相交疊脈沖圖6表示一個(gè)三相CCD中電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程。假定開(kāi)始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為10V的第一個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極均加有大于閾值的較低電壓（例如2V）。設(shè)圖6(a)為零時(shí)刻（初始時(shí)刻）。經(jīng)過(guò)t1時(shí)刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D6(b)所示，第一個(gè)
