ccd地基本結(jié)構(gòu)和工作原理

《ccd地基本結(jié)構(gòu)和工作原理》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。

1、實用標準文案CCD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。CCD有兩種基本類型：一是電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敚@類器件稱為表面溝道CCD（簡稱SCCD）；二是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(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個偏置電壓，就構(gòu)成1個MOS電容器。當有1束光線投射到MOS電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入p型Si襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶。光子進入襯底時產(chǎn)生的電子躍遷形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作

3、用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷存儲在由電極組成的“勢阱”中。如圖1所示。(a)(b)圖1CCD的基本單元2.電荷存儲如圖2(a)所示，在柵極G施加正偏壓UG之前，p型半導體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當柵極施加正偏壓UG（此時UG小于p型半導體的閾值電壓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)將進一步向半導體體內(nèi)延伸。當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（常稱為表面勢，用ΦS表示）變得如此之高，以致于將半導體體內(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)存儲電荷的功能。然而，當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，輕摻雜半導體中的少數(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，表面勢下降，氧化層上的電壓增加。當提供足夠的少數(shù)載流子時，表面勢可降低到半導體材料費密能級ΦF的兩倍。例如，對于摻雜為1

5、015cm-3的p型半導體，費密能級為0.3V。耗盡區(qū)收縮到最小時，表面勢ΦS下降到最低值0.6V，其余電壓降在氧化層上。文檔實用標準文案圖2單個CCD柵極電壓變化對耗盡區(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，對于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時，表面勢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ΦS與反型層

6、電荷濃度QINV的關(guān)系曲線。圖3表面勢與柵極電壓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ΦS與反型層電荷密度QINV的關(guān)系曲線的直線性好，說明表面勢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)系很容易用半導體物理中的“勢阱”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體的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“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)空勢阱的情況。圖5(

7、b)為反型層電荷填充1/3勢阱時，表面勢收縮，表面勢ΦS與反型層電荷濃度QINV間的關(guān)系如圖2-10所示。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，ΦS降到2ΦF。此時，表面勢不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。這樣，表面勢可作為勢阱深度的量度，而表面勢又與柵極電壓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)。勢阱的橫截面積取決于柵極電極的面積A。MOS電容存儲信號電荷的容量(1)文檔實用標準文案圖5勢阱(a)空勢阱；(b)填充1/3的勢阱；(c)全滿勢阱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表示一個三相CCD中電荷轉(zhuǎn)移的過程。假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第一個電極下面的深勢阱里，其他電極均加有大于閾值的較低電壓（例如2V）。設(shè)圖6(a)為零時刻（初始時刻）。經(jīng)過t1時刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D6(b)所示，第一個