第三章电荷耦合器件(CCD) 实现光电转换、信号儲存、转移、输出 处理及电子快门等 特点:1)体积小、重量轻、功耗低、可 靠性高、寿命长。 2)空间分辨率高:4096X4096 3)光电灵敏度高、动态范围大。 4)模拟、数字输出方便;与微机接 口方便
第三章 电荷耦合器件(CCD) ◼ 实现光电转换、信号储存、转移、输出、 处理及电子快门等 ◼ 特点：1）体积小、重量轻、功耗低、可 靠性高、寿命长。 2）空间分辨率高：4096X4096 3）光电灵敏度高、动态范围大。 4）模拟、数字输出方便；与微机接 口方便
第一节CcD的物理基础 MoS晶体管器件,但不工作于反型层而是 深耗尽层。 ■由衬底(P型单晶硅)、氧化层(Sio2) 和金属电极构成。 输人栅 输出栅 金属 Sr P-Si Sion 输人二极管P-Si 输出二极管 图3-1CCD原理示意图 a)CCD结构示意图b)MOs电容器结构
第一节 CCD的物理基础 ◼ MOS晶体管器件，但不工作于反型层而是 深耗尽层。 ◼ 由衬底（P型单晶硅）、氧化层（SiO2） 和金属电极构成
UG不同,物理特性不同。 氧化物 耗尽层反型层耗尽层 半导体 电子能量 图3-2不同偏置下理想MOS结构能带图 a)平带状态b)出现堆积层c)出现耗尽层d)出现反型层 1一导带底能量E。2一禁带中央能级E;3—费米能级E14一价带顶能级E
◼ UG不同，物理特性不同
稳态MoS结构物理性质 UG=0时,如a)所示。 1多数载流子堆积状态 UG0:空穴增多; 表面能量增大;表面能带如b所示 2多数载流子耗尽状态 UG>0表面势Us>0;-qψus0且更大超过某一值表面电子超过空穴浓度, 出现反型的N区见d所示
一、稳态MOS结构物理性质 ◼ UG=0时，如a）所示。 1.多数载流子堆积状态 UG 0;空穴增多; 表面能量增大;表面能带如b)所示. 2.多数载流子耗尽状态 UG >0,表面势Us>0;-qUs0且更大超过某一值,表面电子超过空穴浓度, 出现反型的N区,见d)所示
当UG>Uth时,MoS结构稳定,称“强 反型 强反型条件 表面势Us=-n(-)(3-1) Uth为出现强反型时的U电压一阈值电压 Uth=US+Uox (3-2 实际中,UG=0时,能带并不平,需要 个平带电压UFB则强反型栅极电压为 UG>Uth UFB 强反型时,耗尽层度保持最大不变 MoS电容保最大值不U弯
◼ 当UG >Uth时，MOS结构稳定，称“强 反型” ◼ 强反型条件： 2kT NA 表面势Us=----ln(--) (3-1) q ni Uth为出现强反型时的UG电压—阈值电压。 Uth=Us+Uox （3-2） 实际中， UG =0时，能带并不平，需要一 个平带电压UFB,则强反型栅极电压为： UG > Uth + UFB 强反型时，耗尽层宽度保持最大不变； MOS电容保持最大值不随UG变化
二、非稳态Mos的物理性质 ■当UG>Uth一开始,由于电子尚未来得 及产生,MOS结构只存在“势阱” 随后,热激发产生的电子在电场的作用下 乡表面集聚,势阱中的电子不断增多, 最后达到热平衡稳态。 GCD就是在MOS电容器未达到热平衡之前 利用深耗层区来存储和转移信号的。 见图3-3所示
二、非稳态MOS的物理性质 ◼ 当UG >Uth一开始，由于电子尚未来得 及产生，MOS结构只存在“势阱” 。 随后，热激发产生的电子在电场的作用下 乡表面集聚，势阱中的电子不断增多， 最后达到热平衡—稳态。 CCD就是在MOS电容器未达到热平衡之前， 利用深耗层区来存储和转移信号的。 见图3-3所示
图3-3瞬态MOs结构能带图 a)非平衡态b)□平衡态
■Mos电容器势阱的信号电荷存储能力: Qs=CoXUGAd (3-5) d=0.1 N=10c M4=10 6d=0 10V 0481216 0481216 UG-UFB/ 0102030 2104ccm2 图3-4界面电位与栅极电位的关系曲线 图3-5表面势与 a)不同掺杂浓度b)不同氧化层厚度 电荷的关系
◼ MOS电容器势阱的信号电荷存储能力： Qs=CoxUGAd (3-5)
第二节CcD的工作原理 ccD的电极结构 即MoS结构的栅极,若干电极为一组(位) 每个位有多少个电极就有多少“相 实际中有2,3,4相; 按电极结构分一层、两层和三层等 见下图3-6所示,有6电极结构
第二节 CCD的工作原理 一、CCD的电极结构 即MOS结构的栅极，若干电极为一组（位） 每个位有多少个电极就有多少“相” 。 实际中有2，3，4相； 按电极结构分一层、两层和三层等 见下图3-6所示，有6电极结构
■氧化层薄或掺杂浓度低的地方势阱深, 反之浅 低阻多晶硅十 44金漏4 P型Si sOsO21P型S高阻多晶硅 P型S第一层第二第三层 多晶硅 中内A 多晶硅 很动P SiO Sion 型Sip注人 P型Si P型Si 图3-6CD电极结构图 a)三相单层金属栅结构b)三相单层多晶硅电阻栅结构c)三相多晶硅交叠栅结构图 d)二相多晶硅交叠栅结构图e)二相城墙状氧化物栅结构)四相多晶归交叠栅结构
◼ 氧化层薄或掺杂浓度低的地方势阱深， 反之浅