电荷耦合器件讲课教案.ppt

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1、电荷耦合器件1970年由贝尔实验室的贝埃尔（Boyle）和史密斯（Smith）提出来的一种MOS结构的新型器件－电荷耦合器件（CCD：chargecoupleDevice）。CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮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电荷耦合器件(简称SCCD)；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件(简称BCCD)。一、结构电荷耦合器件简称CCD，从结构上讲，它是由许多小MOS电容组成。MOS电容即金属（Metal）-氧化物(Oxi

2、dation)-半导体(Seminconductor)构成的电容器，常称为MOS电容，或MOS结构。（a）MOS电容器；（b）一般电容器二、电荷存储在栅极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。当栅极施加上偏压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，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。当UG>Uth，半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势)变得如此之高．以致于将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在证明MOS结构有存储

3、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，不能立即建立起反型层。在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三、电荷耦合原理CCD工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入的方法向势阱注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出去，这一过程叫做CCD的电荷转移，它是靠各个MOS的栅极在时钟电压作用下，以电荷耦合方式实现的。外加在栅极上的电压愈高，表面势越高势阱越深，若外加电压一定，势

4、阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。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，其他电极上均加有大于阈值的较低电压。(a)为零时刻(初始时刻)，经过t1时刻后，各电极上的电压变为（b），第一个电极仍保持为10v，第二个电极上的电压由2v变到10v因这两个电极靠得很紧，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。若此后电极上的电压变为如图(d)所示。第一个电极电压由10v变为2v，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个

5、位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图中的CCD称为三相CCD,三相CCD的电荷耦合(传输)方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移.CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下，如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，CCD使不能在外部脉冲作用下正常工作。四、CCD的电

6、极结构CCD电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构和信号检测结构，我们讨论转移电极结构，最早的CCD转移电极是用金属(一般用铝)制成的。CCD的电荷转移信道有两种形式，即表面转移信道和体内（或埋沟）转移信道。采用表面信道的CCD，称为表面CCD，简称SCCD，采用埋沟信道的CCD，称为埋沟CCD，简称BCCD。3．BCCD和SCCD之间的区别①BCCD中传递信息的电子是N层中的多子，而后者是P层中的少子。②SCCD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Z平面附近，BCCD处理电荷的能力比SCC

7、D约小一个数量级。③BCCD转移损失比SCCD小1~2个数量级，具有高的转移效率。④BCCD转移速度高（三相BCCD器件可工作于300MHz时钟频率下，与SCCD相比较，上限提高了一个数量级）。⑤BCCD最大优点是低噪声，这主要是由于消除了信号电子与表面态间的相互作用。低噪声加上高的转换效率使得BCCD成为低照度下的理想摄像器件。从上面分析可知，CCD中电荷的存储和传输是通过各电极上加不同的电压实现的。电极的结构如按所加脉冲电压相数来分，则可分为二相、三相、四相电极结构形式。五、电荷注入在CCD中，电荷注入的方法可分为光注入和电注入两类。1光注入

8、当光照射到CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载梳子被栅极电压排开少数载流了则被收集在势阱中形成信号电荷;光注入