ccd地基本结构和工作原理

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1、实用标准文案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

2、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—氧化物—半导体）结构。如图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1000Å～1500Å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

3、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。(a)(b)图1CCD的基本单元2.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UG>Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用ΦS表示）变得如此之高，以致于将半导体体内的电子（少

4、数载流子）吸引到表面，形成一层极薄的（约10-2µｍ）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ΦF的两倍。例如，对于掺杂为1

5、015cm-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ΦS下降到最低值0.6V，其余电压降在氧化层上。文档实用标准文案图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ΦS随反型层电荷浓度QINV、栅极电压UG的变化如图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ΦS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ΦS与反型层

6、电荷浓度QINV的关系曲线。图3表面势与栅极电压UG的关系（p型硅杂质浓度NA＝1021cm－3，反型层电荷QINV＝0）图4表面势ΦS与反型层电荷密度QINV的关系曲线的直线性好，说明表面势ΦS与反型层电荷浓度QINV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ΦS与UG的线性关系，如图5(a)空势阱的情况。图5(

7、b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势ΦS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，ΦS降到2ΦF。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COX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(1)文档实用标准文案图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（

8、a）（b）（c）（d）（e）（f）(d))图2-12三相CCD中电荷的转移过程(a)初始状态；(b)电荷由①电极向②电极转移；(c)电荷在①、②电极下均匀分布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②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t1时刻后，各电极上的电压变为如图6(b)所示，第一个