光电成像原理与技术chapter8固体成像器件成像原理及应用.pptVIP

光电成像与信息工程研究所 曹峰梅 Tel.804 Email. liuba@bit.edu.cn Email: liuba@bit.edu.cn Tel804 第八章 固体成像器件成像原理及应用 8.1. CCD的物理基础与工作原理 8.2. CCD的结构与特性 8.3. CCD成像原理 8.4. 增强型（微光）电荷耦合成像器件 8.5. CCD的应用 8.6. CMOS成像器件及其应用 8.1. CCD的物理基础与工作原理 CCD(Charge-Coupled Devices)电荷耦合器件：基于MOS(金属－氧化物－半导体）电容器在非稳态下工作的一种器件。 稳态下的MOS电容器 非稳态下的MOS电容器－电荷存储原理 稳态下的MOS电容器 VG不为零： VG0，电场使Si表面形成多数载流子的积累层，此为“积累状态”。 稳态下的MOS电容器 VG0，Si表面出留下一层离化的受主离子，此为多数载流子“耗尽状态”。 VGVth0，反型态： 当VG超过某一阈值Vth时， 表面处禁带中央能级Ei降到EFs以下， 导带底离费米能级更近，表明电子浓度超过空穴浓度，已有P型变为N型，这种状况为“反型状态”。 显然，从反型层到半导体内部之间还夹有耗尽层。 稳态下的MOS电容器 VGVth0，反型态： 弱反型：当表面势Vs增加到等于体内费米势时，表明表面处电子浓度开始超过空穴浓度，此为“弱反型”。 强反型：表面处反型载流子浓度已达到体内多数载流子浓度。 稳态下的MOS电容器－强反型状态 表面处反型层载流子浓度ns可表示为右式： 其中n0，p0为P型半导体内热平衡时的电子浓度和空穴浓度。 按照费米能级的定义，有p0的表达式： 按照反型层发生的条件ns≥ p0，有表面电势Vs与体内费米能级之间的关系， 如认为P型半导体内的多子浓度主要由半导体衬底掺杂浓度NA来决定， 可得到半导体发生强反型的条件: 稳态下的MOS电容器－强反型状态 在强反型状态下，表面电子浓度随Vs增加而按指数规律增长， 而Vs随耗尽层厚度xd呈二次函数增加。 稳态下的MOS电容器－强反型状态 一旦出现反型层， 耗尽层厚度xd达到最大值，且不随VG而变化。 表面出现强反型状态时对应外加偏压VG为阈值电压（开启电压），常用Vth表示。 由于反型层中的电子实际上是被限制在表面附近能量最低的一个狭窄区域，故称为反型层沟道。 P型半导体的表面反型层由电子构成，故称N型沟道。 非稳态下的MOS电容器－电荷存储原理 问题的关键： 在电压加到栅极上的瞬间，在介电弛豫时间(10-12s)之内，半导体中只有多数载流子空穴能跟上变化，少子电子取决于产生－复合过程（还没来得及生成），故尽管VG Vth，反型层还没形成， 非稳态下的MOS电容器 VG的大部分压降Vs落在半导体表面的空间电荷区上，只有小部分落到SiO2上。 故而，该形成反型层的空间上没有电子，只有空的电子势阱，也就是说表面还处在载流子耗尽状态，这种耗尽层从表面一直延伸到半导体内深处，此状态为“深层耗尽状态”。 －这实际上是MOS电容器处于热非平衡状态。 随着时间的推移，热激发产生的电子将进入势阱，逐渐恢复热平衡，达到稳态，形成强反型层。这个时间T，称为存贮时间。 非稳态下，Vs特大，形成的电子势阱eVs特深。 如此时有外界光信号或电信号激励或注入， 即在空间电荷区产生电子－空穴对或注入电子， 空穴被驱至耗尽层外，电子则逆电场运动进入势阱存贮起来。 势阱满了，就不能再积累了。 CCD就是利用MOS电容器上述过程来存储信号、转移信号的，这些过程必须在非平衡状态下工作。 8.2. CCD的结构与特性 耗尽层的耦合 CCD电荷传输原理 CCD结构特性 CCD的物理性能 开启电压 满势阱时信号电荷的容纳量 工作频率 转移效率 噪声 暗电流 功耗 8.2. CCD的结构与特性 8.2. CCD的结构与特性 CCD电荷传输原理 电荷包：势阱中存贮的自由电荷 电荷转移：利用耗尽层耦合的原理，将电荷包有规律地传递出去 －－通过控制相邻MOS电容器栅压的高度来调节势阱的深浅，使信号电荷由势阱浅的位置流向势阱深的位置。 转移要按照确定的方向：由不同相位上的电压脉冲按照严格的时序被控制 转移要沿确定的路线：工艺设计时，要考虑好沟道和沟阻，电荷转移通道为沟道，限制沟道的部分为沟阻。 8.2. CCD的结构与特性 转移电极结构：通常按照每位采用的电极相数来划分。 三相电极结构（三相CCD）： 二相CCD电极结构： 四相CCD电极结构 虚相CCD结构 转移沟道结构： 表面沟道（表面CCD－SCCD） 体内(埋)沟道(埋沟CCD－BCCD) 输入输出结构 8.2. CCD的结构与特性 8.2. CCD的结构与特性 8.2