半导体器件物理：第7章 电荷转移器件

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1、第七章电荷转移器件Charge-TransferDevices—CTD电荷耦合器件ChargeCoupledDevices—CCD斗链器件Bucket-BrigadeDevices—BBD电荷转移器件——CTD的基本原理CTD的核心是MOS电容的有序阵列加上输入与输出部分。在栅电极加上时钟脉冲电压时，在半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱。用光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势阱中。通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子的收集和再生得到信号的输出。§7.1电

2、荷转移教学要求：概念：CTD、CCD、BBD了解CCD电荷转移过程。一、电荷转移原理图7-1电荷转移系统数字移位寄存器模拟延迟线两个分开的时钟脉冲——二相系统斗链器件——BBD电荷转移通过采用分立或集成的元件在电路级基础上构成的。§7.1电荷转移二、电荷耦合器件——CCD在器件级基础上的电荷转移结构是通过电荷耦合器件——CCD实现的。在CCD中，少数载流子存储于建立在半导体表面的势阱中。这些载流子通过依次填充和排空一系列势阱沿着表面输运。在它的最简单形式中，CCD是一串紧密排布的MOS电容器，如图7-2的情形所示。§7.1电荷转移二、电荷耦合器件——CCD

3、图7-2三相CCD动作，p+扩散用来限制沟道1.若在图7-2a中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置电压(5V)高，这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边。2.现在让电极3偏置在15V，在电极3下边于是就建立起一个更深的势阱（图7-2b）。存储的电荷寻求更低的电势，因而当势阱移动时它们沿着表面移动。3.注意在这种结构中需要3个电极，以便于电荷存储，并且使转移只沿着一个方向。这三个电极看成是器件的一个级或单元，称为三相CCD。§7.1电荷转移小结：CTD的核心是MOS电容的有序阵列(arrays)加上输入与输出部分。在栅电极加上时钟脉冲

4、电压时，在半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱。用光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势阱中。通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子的收集和再生得到信号的输出。§7.1电荷转移§7.2深耗尽状态和表面势阱教学要求：1.了解深耗尽状态及其物理过程。2.导出深耗尽状态下的空间电荷区厚度公式（7-2-7），以及表面势与栅极电压的关系式（7-2-8）和（7-2-9）。§7.2深耗尽状态和表面势阱CCD是利用在MOS结构栅极下使半导体表面形成深耗尽状态进行工作的。深耗尽

5、状态：当VG>2φf时，要达到表面反型层需要有一个过渡过程。在此过渡过程中，半导体处于非热平衡状态—深耗尽状态。这一弛豫过程所需的弛豫时间约为在深耗尽状态中，栅极的正电压排斥P型衬底中的空穴，使半导体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区。空间电荷区为耗尽层。由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚度的限制，而直接由栅压VG的大小来决定。这时表面势也不受形成强反型层时ψs=2φf的限制，也直接由VG的大小来决定。在深耗尽状态，耗尽层厚度Xd>Xdm，表面势ψs>2φf，所以称之为深耗尽状态。深耗尽状态下的SCR厚度和表面势：1.理想MOS结构：§

6、7.2深耗尽状态和表面势阱（7-2-2）§7.2深耗尽状态和表面势阱为简便起见，引入（7-2-3）Vi为耗尽层厚度为（）时，在氧化层上产生的电压降。（7-2-4）（7-2-5）（7-2-6）表面势：计入功函数和氧化层电荷的影响，需引入平带电压VFB，则有效的栅极电压为：VG-VFB，代入（7-2-5）式，就可以得到实际MOS的表面势与VG的关系：§7.2深耗尽状态和表面势阱SCR厚度：（7-2-7）（7-2-8）2.实际MOS结构：表面势：【例】P－Si衬底，Na=5×1014cm-3，xo=150nm，氧化层中正电荷的密度Qo=1012cm-2，金属电极

7、为Al的MOS结构。当VG=16V时，计算得：Vi=0.16V，ψs≈15V。显然ψs>2φf，在非热平衡状态，表面处于深耗尽状态。§7.2深耗尽状态和表面势阱这种深耗尽状态，意味着表面处的电子的静电势能-qψs特别低，因此也称为表面势阱。表面势ψs的值标志势阱的深度。由上述例子可知，一般ViVG。在这种情况下表面势（7-2-8）式可以简化为：（7-2-9）小结：1.热平衡MOS表面强反型层的建立需要经过一段弛豫时间，而不是当VG>VTH时立即形成的。达到表面强反型层需要有一个过渡过程。在此过渡过程中，半导体处于非热平衡状态，即为深耗尽状态。由于不是处

8、于热平衡状态，耗尽层厚度不受热平衡时的最大厚度的限制。耗尽层厚度将