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时间:2019-03-27
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1、实用标准文案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体内,并在半导体体内沿一定方向传输,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
2、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—氧化物—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办法生成1层厚度约为1000Å~1500Å的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(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-空穴对,电子-空穴对在外加电场的作
3、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。(a)(b)图1CCD的基本单元2.电荷存储如图2(a)所示,在栅极G施加正偏压UG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UG(此时UG小于p型半导体的阈值电压Uth)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内延伸。当UG>Uth时,半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势,用ΦS表示)变得如此之高,以致于将半导体体内的电子(少
4、数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约10-2µm)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,当栅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内延伸,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,氧化层上的电压增加。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ΦF的两倍。例如,对于掺杂为1
5、015cm-3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ΦS下降到最低值0.6V,其余电压降在氧化层上。文档实用标准文案图2单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响(a)栅极电压为零;(b)栅极电压小于阈值电压;(c)栅极电压大于阈值电压表面势ΦS随反型层电荷浓度QINV、栅极电压UG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1021cm-3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ΦS与栅极电压UG的关系曲线。图4为栅极电压不变的情况下,表面势ΦS与反型层
6、电荷浓度QINV的关系曲线。图3表面势与栅极电压UG的关系(p型硅杂质浓度NA=1021cm-3,反型层电荷QINV=0)图4表面势ΦS与反型层电荷密度QINV的关系曲线的直线性好,说明表面势ΦS与反型层电荷浓度QINV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UG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”与栅极电压UG的关系恰如ΦS与UG的线性关系,如图5(a)空势阱的情况。图5(
7、b)为反型层电荷填充1/3势阱时,表面势收缩,表面势ΦS与反型层电荷浓度QINV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,ΦS降到2ΦF。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UG、氧化层的厚度dOX有关,即与MOS电容容量COX与UG的乘积有关。势阱的横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(1)文档实用标准文案图5势阱(a)空势阱;(b)填充1/3的势阱;(c)全满势阱3.电荷耦合(
8、a)(b)(c)(d)(e)(f)(d))图2-12三相CCD中电荷的转移过程(a)初始状态;(b)电荷由①电极向②电极转移;(c)电荷在①、②电极下均匀分布;(d)电荷继续由①电极向②电极转移;(e)电荷完全转移到②电极;(f)三相交叠脉冲图6表示一个三相CCD中电荷转移的过程。假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第一个电极下面的深势阱里,其他电极均加有大于阈值的较低电压(例如2V)。设图6(a)为零时刻(初始时刻)。经过t1时刻后,各电极上的电压变为如图6(b)所示,第一个
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