电荷耦合器件的基本结构1

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1、6.2.1CCD的电极结构：CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构形式。三相电阻海结构二相硅-铝交叠栅结构四电极结构：定向转移的实现在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每—位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。定向转移的实现通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相

2、。φ1φ2当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。t2-t3时刻，Φ1电压线性减小，1电极下势阱变浅，Φ2为高电平，2电极下形成深势阱，信号电荷从1电极向2电极转移，直到t3时刻，信号电荷全部转到2电极下。重复上述过程，信息电荷从2电极转移到3电极，到t5时刻，信号电荷全部转移到3电极下。经过一个时钟周期，信号电荷包向右转移一级，t6时刻信号电荷全部转移4电极下。依次类推，信号电荷依次由1，2，3，4…..N向右转移直至输出移位寄存器MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。三相CCD中电荷包的转移

3、过程：t1时刻，Φ1为高电平，Φ2Φ3为低电平，1电极下形成深势阱，储存电荷形成电荷包信号转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。右图:三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。由图可见，在信号电荷包运行的前方总有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前连续运动。此外，还有一种(如两相时钟驱动)是利用电极不对称方法来实现势阱分布不对称，促使电荷包向前运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，必须远小

4、于势阱的热弛豫时间，所以CCD是在非平衡状态工作的一种功能器件。6.2.2转移信道的结构1.SCCD(表面CCD）转移和存储信号电荷的势阱都在硅与氧化硅的界面处，电荷速度与转移效率低，主要原因为客观表面态迁移率的影响。即在硅与氧化硅表面有Na、K杂质离子，表面态上的离子可以接收电子，也可以发射电子，当电子至后续电荷包转移时，表面态发射电子的速度慢，导致电子跟不上信号电荷的转移速度，造成信号电荷的损失，所以转移效率降低，转移速度不能提高。2.BCCD（埋沟CCD）基底为P型，在硅表面注入杂质，使之形成N型薄层，在N型两端做上N+层，起源极与漏极的作用。在N－P之间加反偏

5、电压，使形成体内耗尽层，当与氧化层耗尽层相连通时，形成势阱。当电子向势阱中聚焦时，耗尽层宽度减小，同样可以存储和转移电荷，如果施以栅极电压，势能曲线下降，P区耗尽层加宽，势能曲线下降，势阱加深，可以通过控制栅极达到电荷耦合。BCCD与SCCD的区别（1）BCCD中传递信息是电子是N层中的多子，SCCD是P层中的少子（2）SCCD中的信息电荷集中在界面处很薄的反型层中，而BCCD的信息电荷集中在体内。（3）BCCD转移电荷损失比SCCD小1－2个数量级，具有更好的转移效率。（4）BCCD转移速度高。（5）BCCD最大的优点是低噪声，主要原因是它消除了信号电子与表面态的相

6、互作用。6.3.3通道的横向限制如果电极间距较大，势阱的形状会发生弯曲，会使信号电荷露出，或使外电荷漏入，为了克服这一现象，在横向上，对势阱的范围进行限制，方法是形成一个高势能的位垒，将沟道与沟道之间隔开。主要的方法：1.加屏蔽电场2.氧化层台阶法3.沟阻扩散法1.加屏蔽电场在屏蔽电极上加与栅极极性相反的电压，从而形成感应电场，以吸收多子，造成多子在耗尽层内横向边界上的堆积，以限制耗尽层区的横向扩展。2.氧化层台阶法使耗尽层以外的氧化层加厚，保证它下面的半导体不会深耗尽，以起限制作用，氧化层越厚，则位能越浅。3.沟阻扩散法在同一栅极下，局部掺杂浓度不同，表面势不同，掺

7、杂浓度越高，势阱越低，采用离子注入技术，使转移电极沿衬底浓度高于别处，形成P+层，而且浓度变化要很陡峭，从而可以有力的限制沟道的宽度。6.2.4电荷的输入结构光注入：正面和背面光照式Qin=ηqNeoAtc式中：η为材料的量子效率；q为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。CCD工作过程分三部分:信号输入、电荷转移和信号输出部分。输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：光注入和电注入。在滤波、延迟线和存储器应用情况摄像应用电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入