第八章 固态传感器(第三节)课件.pptVIP

§8-3 电荷耦合器件 电荷耦合器件(简称CCD)的发明始于1969年，在其后几年中发展迅速，并得到了广泛的应用。CCD并不是一种新发明的器件，它可以说是MOS电容器的一种新的用法。在适当次序的时钟控制下，CCD能够使电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电荷的转换。利用这个机理便可实现多种的电子功能。在作为光敏器件时可用于图像的传感，即成为固体摄像器件；此外，CCD还可作为信息处理和信息存储器件。本节将主要介绍CCD的工作原理及作为光敏摄像器件时的特征。 ; 一、电荷耦合器件的结构与工作原理 (一)电荷耦合器件的结构 金属—氧化物—半导体(MOS)电容CCD是由按照一定规律排列的MOS电容阵列组成的。其中金属为MOS结构上的电极，称为“栅极”(此栅极材料不是用金属而是用能够透过一定波长范围光的多晶硅薄膜)。半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容，如图8-64所示。这种电容器具有一般电容器所没有的一些特性，CCD的工作原理就是基于这些特性。因此，在介绍CCD的工作原理之前先简单介绍一下MOS电容的特性。; ; 当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量)从表面到内部是平的，这就是平带条件。所谓理想情况主要是忽略氧化层中的电荷及界面态电荷(一般均为正电荷)，且三层之间没有电荷交换。图8-65(a)为平带条件下的能带图。; 若在金属电极上相对于半导体加上正电压UG，当UG较小时，P型半导体表面的多数载流子空穴受到金属中正电荷的排斥，从而离开表面而留下电离的受主杂质离子，在半导体表面层中形成带负电荷的耗尽层。此时，称MOS电容器处于耗尽状态。由于半导体内电位相对于金属为负，在半导体内部的电子能量高，因此，在耗尽层中电子的能量从体内到表面是从高向低变化的，能带呈弯曲形状，如图8-65(b)所示。由于此时半导体表面处的电势(称表面势或界面势)比内部高，故若附近有电子存在，将移向表面处。栅压UG增加，表面势也增加，表面积聚的电子浓度也增加。但在耗尽状态，耗尽区中电子浓度与体内空穴浓度相比是可以忽略不计的。; 当栅压UG增大到超过某个特定电压Uth时，表面势进一步增加，能带进一步向下弯曲，使半导体表面的费米能级高于禁带中央能级[见图8-65(c)]。此时，半导体表面上的电子层称为反型层。特定电压Uth是指半导体表面积累的电子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常把Uth称为MOS管的开启电压。; 从上面的分析可知，当MOS电容器栅压UG大于开启电压Uth时，由于表面势升高，如果周围存在电子，并迅速地聚集到电极下的半导体表面处，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象地说，半导体表面形成了对于电子的势阱。习惯上，可以把势阱想像成一个容器，把聚集在里面的电子想像成容器中的液体，如图8-66所示。势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似与外加栅压UG成正比。; 如果在形成势阱时，没有外来的信号电荷，则势阱中或势阱附近由于热效应产生的电子将积聚到势阱口，逐渐填满势阱。通常，这个过程是非常缓慢的。因此，如果加上阶跃的栅压UGUth，则在短时期内，如果没有外来的电子充填，半导体就处于非平衡状态。此时称为深耗尽。上面提到的势阱就是指深耗尽条件下的表面势。所谓势阱填满，是指电子在半导体表面堆积后使平面势下降。; (二)电荷耦合器件CCD的工作原理 1.电荷的定向转移 CCD的基本功能是具有存储与转移信息电荷的能力，故又称它为动态移位寄存器。为了实现信号电荷的转换，首先必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。通常相邻MOS电容电极间隙必须小于3 μm，甚至小至0.2 μm以下。其次根据加在MOS电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。还必须指出，在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。;为此，在MOS阵列上所加的各路电压脉冲即时钟脉冲， 必须严格满足相位要求，使得任何时刻势阱的变化总是 朝着一个方向。例如，电荷是向右转移，则任何时刻， 当存有信号的势阱抬起时，在它右边的势阱总比它左边 的深，这样，就保证了电荷始终朝右边转移。; 为了实现这种定向转移，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，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同电极称为相线。例如把MOS线列电容划分成相邻三个为一单元，其中第1、4、7……电容的栅极连接在同一根相线上，第