ccd结构及工作原理

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1、CCD结构及工作原理1CCD的物理基础11.1MOS电容的热平衡态特性21.2MOS电容的非平衡态特性42CCD的组成及其工作原理52.1CCD的组成52.2电荷转移沟道93CCD传感器的类型103.1线型CCD103.2面型CCD114几种国外CCD图像传感器介绍114.1超高分辨力线阵CCD图像传感器114.2帧转移面型CCD图像传感器114.3低光度CCD图像传感器114.4高分辨力大面阵CCD图像传感器114.5CCD485固体全帧传感器114.6松下推出高速CCD图像传感器124.7ITO-CCD图像传感器124.8电子倍增CCD图像传感器12

2、4.9紫外CCD图像传感器121CCD的物理基础CCD是由按照一定规律、紧密排列起来的金属绝缘半导体(MIS(MetalInsulatorSemiconductor))电容阵列组成的，MIS电容结构是CCD的基本组成部分。CCD的工作原理是建立在MIS电容理论之上，依靠在MIS电容器上储存电荷载流子和转运电荷载流子。所以，在论文的开始部分首先分析一下MIS电容结构特性，这将有利于理解CCD的工作机理。图1MIS电容结构MIS电容结构如图1所示，它十分类似于金属--绝缘体--金属MIM(Metal13InsulatorMetal)平行板电容器，但有许多不同

3、之处。例如在MIM电容器的两个金属板上施加电压时，充电电荷分布在紧靠绝缘体的原子层厚度内，其电压全部降落在绝缘体内。而对MIS电容器施加电压时，因半导体中的电荷密度远小于金属的电荷密度，所以在半导体一侧，其电荷分布在半导体表面一定厚度的层内，所加的电压一部分降落在绝缘层内，另一部分则将降落在半导体表面的空间电荷层中[5]。此时在半导体中有两种极性不同的载流子即电子和空穴，而且其浓度相差很大(如在硅中，多子和少子浓度往往相差倍)，因此，在MIS电容器上施加极性相反的电压时，半导体表面电荷层各处的电荷极性、分布和厚度大不相同。(a)MIS电容器(b)电场随深

4、度变化图图2MIS电容器及电场(电势)随深度变化图如图2所示，若给MIS电容器上施加正向电压咋(此时金属极板上带正电荷，半导体上带负电荷)，在它们之间的绝缘层上将建立起电场，但是因为半导体中的自由载流子密度远远小于金属的自由电子密度，所以半导体中的电荷就要扩展到相当厚的一层，即垂直电场的存在使半导体表面内形成具有相当厚度的空间电荷区，它起着对电场的屏蔽作用，使电场由界面开始逐渐减小，直到空间电荷区的边界，电场几乎被全部屏蔽。1.1MOS电容的热平衡态特性可见光CCD是以硅为基体材料的，绝缘体就是硅的氧化物，所以常为MOS电容结构。从图3可以看出P型半导体

5、表面处能带结构的变化情况。图中为导带底，为带顶，为费米能级，为半导体在本征导电情况的13，它位于禁带中央附近。(a)体内能带(b)表面耗尽层(c)表面积累层(d)表面反型层图3p型半导体表面处能带结构的变化如果表面的存在对电子运动没有任何影响的话。如图3(a)所示，水平能量线将一直延伸到表面，并与表面垂直。但实际上表面的存在不可能不影响到表面附近的电子运动和表面附近的能带结构，表面附近的电子能量也不可能与体内的能量完全一样，而且表面常常不可避免的有电荷吸附。在MOS结构中，半导体与绝缘体的交界面上也由于晶格结构不连续而出现局域化电子能级，因而带有一定电荷

6、.在绝缘体内甚至在外表面也可能有电荷存在。所有这些电荷总的效果相当于是在半导体表面施加了一个电场，使得体内接近界面处的电子能带发生变化，从而使表面层内的电荷重新分布。如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为负电荷，那么它的电场将排斥电子而吸引空穴，这样接近表面的电子能量增大。如图3(c)所示，表面处能带向上弯曲，近表面处空穴浓度增大。也就是表面层内积累了相当数量的空穴和表面上的负电荷，所以表面层称做“积累层”。反之，如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为正电荷，则近表面的电子能量降低，能带将向下弯曲。如图3(b)13所示，空穴被电场驱向体内，在表面层内留下带负

7、电的受主离子。能带弯曲的结果是使表面层剩下的负的受主离子及少量电子来中和表面上的正电荷。在这一表面层内，载流子都被电场驱开，通常称为“耗尽层”或“空间电荷层”，能带弯曲部分的深度就是耗尽层厚度W。如果表面及氧化层内的正电荷密度更大(外加电压情况)，则能带在表面处的向下弯曲将更为严重，以致于在表面形成一层反型层。如图3(d)所示。从表面到与相交点的一薄层内变成n型导电，在n型层与体内P型导电区之间仍是耗尽层，两层总厚为W。通常以体内的为电势的零点，在表面上相对于的位置称为表面势。能带向上弯曲表面势为负，能带向下弯曲表面势为正。1.2MOS电容的非平衡态特性

8、接下来仍以P型半导体为例，若以外加电压的正极接到栅极，负极接到半导体的底板使半导