《CCD的基本结构和工作基本知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CCD的基本结构和工作基本知识（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 （金属一氧化物一半导体）结构。如
2、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1000A1500A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。沟一阻u耗：1.;区（和呦）(a)7i-III剪信町电荷(b)图 1 CCD 的基本单元2
3、. 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uGuth时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用Q表示）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（约10-2m ）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
4、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 体材料费密能级些的两倍。例如，对于掺杂为10i5cm-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eS下降到最低值0.6V,其余电压降在氧化层上。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eS随反型层电荷浓度Qinv、栅极电压UG的变化如
5、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eS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eS与反型层电荷浓度Qinv的关系曲线。120| 8图3表面势与栅极电压UG的关系（p型 硅杂质浓度NA=102icmv，反型层电荷 Qinv = ）Q 1000 2OTO 301)04000別”)图4表面势S与反型层电荷 密度qinv的关系2竺如二空二悝曲线的直线性好，说明表面势eS与反型层电荷浓度Qin V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
6、 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eS与UG的线性关系，如图5（a）空势阱的情 况。图5(b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势曳与反型层电荷浓度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，Q降到20f。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Cx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Q 二 C
7、 U - A(1)OX G:Uc - WV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 10V 2VIT2V77）V77）2V=P/r：.$（i：:a） b),3.（i：1.：3）2V IOV IOV 2Va)c)申!V 1OV-*TTd)e)f)图 2-12 三相 CCD 中电荷的转移过程(a)初始状态；(b)电荷由电极向电极转移；(c)电荷在、电极下均匀分布； (d)电荷继续由电极向电极转移；(e)电荷完全转移到电极；(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
8、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t时刻后，各 电极上的电压变为如图6(b)所示，第一个电极仍保持为10V，第二个电极上的电压由2V变 到10V，因为这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)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，如图6(b)和图6(c)。若此后电 极上的电压变为如图6(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， 则共有的电荷转移至I第二个电极下面的势阱中，如图6(e)。由此可见，深势阱及电荷包向 右移动了一个位置。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
9、能沿半导体表面按 一定方向移动。通常把CCD电极分为几组侮一组称为一相，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。图所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图 如图6(f)所示，这样的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。电极结构的一个关键问题是CCD电极间隙。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便不能 在外部脉冲作用下正常工作。能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面 态密度等因素决定。理论计算和实验证实，
10、为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移 的势垒，间隙的长度应小于3pm。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。如果氧化层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数CCD ,1pm的间隙长度 是足够小的。4. 电荷的注入和检测4.1电荷的注入1. 光注入当硅照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电 压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电 荷。光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。 图7所示为背面照射式光注入的示意图。CCD摄像 器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷Q =耳 qAn AT(2)IP eo C式中：n为材料的量
11、子效率；q为电子电荷量；Ane。为入射光的光子流速率；A为光敏单元 的受光面积；TC为光注入时间。由式可以看出，当CCD确定以后，n、q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷QIP与入射光的光子流速率Me。及注入时间TC成正比。注入时间TC由CCD驱动器的转移 脉冲的周期Tsh决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到CCD势 阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率厶。成正比。在单色入射辐射时，入射光的光 子流速率与入射光谱辐通量的关系为An =伫，h、v、入均为常数。因此，在这种情况 e hv下，光注入的电荷量与入射的光谱辐亮度ee入成线性关系。2. 电注入所谓电注入就是ccd
12、通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电 流转换为信号电荷。电注入的方法很多，这里仅介绍两种常用的电流注入法和电压注入法。1) 电流注入法如图8(a)所示，由n+扩散区和p型衬底构成注入二极管。IG为CCD的输入栅，其上 加适当的正偏压以保持开启并作为基准电压。模拟输入信号UIN加在输入二级管ID上。当 爲为高电平时，可将n +区(ID极)看作MOS晶体管的源极,IG为其栅极，而e2为其漏 极。当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为WC(2-6)I =卩 一 (U - U - U )2SL 2 IN IG thG式中：W为信号沟道宽度；Lg为注入栅IG的长度；P是载流子表面迁移
13、率；COX为IG栅电 容。经过TC时间注入后，2下势阱的信号电荷量WC(2-7)Q =卩一吐(U- U - U )2TSL 2 IN IG th CG可见这种注入方式的信号电荷QS不仅依赖于UIN和TC，而且与输入二极管所加偏压的大小 有关。因此，QS与UIN的线性关系很差。图 8 电注入方式(a)电流注入法；(b)电压注入法2) 电压注入法如图8(b)所示，电压注入法与电流注入法类似，也是把信号加到源极扩散区上，所不 同的是输入ig电极上加有与e2同位相的选通脉冲，但其宽度小于2的脉宽。在选通脉冲 的作用下，电荷被注入到第一个转移栅下的势阱里，直到势阱的电位与n+区的电位相等 时，注入电荷才
14、停止。e2下势阱中的电荷向下一级转移之前，由于选通脉冲已经终止，输 入栅下的势垒开始把爲下和n+的势阱分开，同时，留在IG下的电荷被挤到2和n+的势阱 中。由此而引起起伏，不仅产生输入噪声，而且使信号电荷Q与UID线形关系变坏。这种 起伏，可以通过减小IG电极的面积来克服。另外，选通脉冲的截止速度减慢也能减小这种 起伏。电压注入法的电荷注入量Q与时钟脉冲频率无关。4.2电荷的检测(输出方式)在CCD中，信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可 避免。因此，选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输出电路的程度 目前，CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放
15、大器输出和浮置栅放大器输出。1. 电流输出% THI%-如图9（a）所示,当信号电荷在转移脉冲的驱 动下向右转移到末极电极（图中e2电极）下的 势阱中后，e2电极上的电压由高变低时，由于 势阱提高，言号电荷将通过输出栅（加有恒定的电压）下的势阱进入反向偏置的二极管（图中 n+区）。由UD、电阻R、衬底p和n+区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入到反 向偏置二极管中的电荷，将产生输出电流ID，且 ID的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，而与电阻R成反比。电阻R是制作在CCD（C）内的电阻，阻值是常数。所以，输出电流ID与D图 9注入到二极管中的电荷量成线性关系，且电荷输出电路Q I dt （3） SD由于ID的存在，使得A点的电位发生变化，ID增大，A点电位降低。所以可以用A点的电位来检测二极管的输出电流ID，用隔直电容将A点的电位变化取出，再通过放大器输出。图中的场效应管Tr为复位管。它的主要作用是将一个独处周期内输出二极管没有来得 及输出的信号电荷通过复位场效应输出。因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位场效应
