第6章 CCD和COMS成像器件

Cox
A
d ox
* N A 2 1014 cm3 , dox 180nm, N f U GCox / e,U G 5V
U G ,Vs ; U G ,Vs ;
N A ,Vs ; N A ,Vs ;
d ox ,Vs ; d ox ,Vs ;
n ,Vs . n ,Vs .
6.1 电荷耦合器件的基本原理
6.1.1 MOS结构特征 MOS电容即金属（Metal）-氧化物(Oxidation)-半 导体(Seminconductor)构成的电容器，常称为MOS电 容，或MOS结构。
UG
Al SiO2 金属 电介质 P-Si衬底 金属
（a）MOS电容器；（b）一般电容器。 电容的相同特征 注意其区别: 电荷分布不一样.
i i f f v v mf
UG
Al
E SiO2c Ei Ec
Ei Vf Ef Ev
P-Si衬底
Vs
Emf
Ef Ev
d (c)
Emf
(d)
5.强反型层
Ei
f
Ei
f
E E 当电子充满势阱时，达到稳定状态，界面电子浓度等于衬 E E 底受主密度，该时就达到强反型层。在强反型层时， Vs E VS=2VF=2（Ei-EF），如果外界不注入少子（电子）或不 d 引入各种激发，则反型层中的电子的来源只能是耗尽层中热 (b) (a) 激发产生的电子，即热生载流子，这种热激发是很慢的，为 一弛豫过程,约为10-3~10-1s量级。
1．dox=0.1μm, 2．dox=0.6μm, 3．dox=0.1μm, 4．dox=0.1μm,
dN=2μm, dN=2μm, dN=2μm, dN=5μm,
ND=2×1015cm-3 ND=2×1015cm-3 ND=4×1015cm-3 ND=2×1015cm-3
UG↑→VZ↑，VZ~UG近似成直线; dox↑→VZ↑；dN↑, VZ↑；ND↑→VZ↑
• 与真空摄像器件相比，CCD成像器件具有： • 体积小、重量轻、结构简单、功耗小、成本低、 与集成电路工艺兼容等优点， • 正得到深入发展和广泛应用，如黑白、彩色、微 光、红外摄像器件，用于军事探测、气象观察、 大气观察、医学观察、天文观察、火灾报警、闭 路监控等等。 • 随着集成电路水平的提高，CMOS型成像器件水 平提高得很快，也得到了广泛的应用，已经成为 CCD成像器件的有利竞争者。
6.1.3 电荷耦合原理
CCD工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入的方法向势阱 注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，此势阱中所包含的自由 电荷通常称为电荷包。 在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出去，这一过程 叫做CCD的电荷转移，它是靠各个MOS的栅极在时钟电压作用 下，以电荷耦合方式实现的。 势阱深度的形象表达； 势阱的电荷形象表达。
a b cd e Ф1
Ф2
Ф3
电荷耦合 原理
6.2.1 转移电极结构
转移电极结构通常按照每个单元采用的电极相数来划分， 如每个单元包含三个电极，分别由三相时钟脉冲供电，则称 为三相CCD，对于某些特殊结构的CCD，可采用二相供电， 称二相CCD。如每个单元包含四个电极，分别由四相时钟脉 冲供电，则称为四相CCD.
根据半导体公式可知， d=(2εVS/NAe)1/2 ε——基底材料的介电常数。 QD=[2εNAeVs]1/2
CCD的电压关系
栅极 QG Uox 氧化层 QI VS d QD UG CD Cox
U G U FB Vs U ox
UFB为平带电压
U FB Wm Ws e
P型基底
，
3．BCCD和SCCD之间的区别
2) SCCD中的信息电荷集中在界面处很薄的反型层中，而 BCCD的信息电荷集中在体内Z平面附近，BCCD处理电荷 的能力比SCCD约小一个数量级。 3)BCCD转移损失比SCCD小1~2个数量级，具有高的转移 效率。 4)BCCD转移速度高 5)BCCD最大优点是低噪声，这主要是由于消除了信号电子 与表面态间的相互作用。低噪声加上高的转换效率使得 BCCD成为 低照度下的理想摄像器件。
c c i i
Ef Ev
Vf
Ef E
3. UG>0，UG继续增大
Ef Ev
表面处能带进一步向下弯曲，表面处费米能级位置可能高 于禁带中央能级Ei，这意味着表面处的电子浓度将超过空穴 (a) 浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层叫做反 型层，如图6-2（c）所示 。
UG
Al SiO2
Ec
Ei
1) BCCD中传递信息的电子是N层中的多子，后者是P层中少子。
6.2.3 通道的横向限制
如果电极间距离较大，势阱形状将发出弯曲变化，会使信号 电荷漏出，外面电荷也会漏进来。 隔离方法是形成一个高势能的位垒，将沟道与沟道之间隔开。 目前常用的横向限制工艺有：沟阻扩散（或注入）法和氧化物 台阶法。
P-Si衬底
Vs
Emf
Ef Ev
d (c)
E E 4. UG>0，有自由电荷进入势阱 E E 当UG>0，有自由电荷进入势阱，耗尽层宽度和表面势VS E E Vs 均随着电荷的增加而减小，势阱变浅。在这种情况下，半导 E d 体空间电荷层内的负电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中 (b) (a) 已电离的受主电荷；另一部分是反型层中的电子，后者主要 堆积在近表面内。
1 三相电极结构。
Φ3 Φ2 Φ1 Φ3 Φ2 Φ1
P-Si衬底
dox
图6-6 三相CCD的电荷转移过程
2．二相电路结构
a.由于N'A>NA，所以 左边VS<右边VS。.
b.因为左边dox>右边dox，所以 左边Vs<右边Vs。 c.双金属层的结构，类似b。
• 设计了位垒，能防电荷向后倒流，如图6-7 （d）。二相电路同三相相比，简化了供电线路， 接线方式可以使电荷由左向右转移，也可从右往 左转移。二相电极结构虽然供电系统简单，但是 电荷存贮能力和处理能力比三相的低。 • 还有四相CCD。
6.2.2 转移信道结构
CCD的电荷转移信道有两种形式，即表面转移信道和体内（或 埋沟）转移信道。采用表面信道的CCD，称为表面CCD，简称 SCCD，采用埋沟信道的CCD，称为埋沟CCD，简称BCCD。
1．SCCD的一些问题 • SCCD转移和存贮信号电荷的位阱都是在Si-SiO2界面下。 SCCD存在一些问题，如电荷转移速度和转移效率低，其主要原 因是受表面态和迁移率的影响。 • 在Si和SiO2界面处存在Na+，K+等杂质离子，形成表面态， 表面态密度成马鞍形，能量位于禁带，其态密度中央小，靠近价 带和导带的密度大，在1013cm-3左右。 • 实际上，表面态发射电子速度较慢，电子跟不上信号电荷的转 移速度，从而进入后续的电荷包，造成信息损失，使转移效率下 降，转移速度不能提高。为了避免表面态的作用，将电荷转移信 道埋在体内，从而形成埋沟CCD。
(a)
(b)
1. UG<0，多数载流子堆积状态 能带向上弯，随着向表面接近，价带顶将逐渐甚至超过费 米能级; 表面价带中空穴浓度随之增加，这样表面层内就出现空穴 堆积而带正电荷。越接近表面空穴浓度越高，这表明空穴堆 积分布在靠近表面的薄层内。 如图6-2（a）所示。
UG
Al SiO2
Emf Ec
P-Si衬底
ne 1 1/ 2 U G U FB Vs (2 N AeVS ) Cox Cox
N Ae
2 Cox
并设 u0 则
ne ne 2 1/ 2 Vs U G U FB u0 [2(U G U FB )u0 u0 ] Cox Cox
由此可见，表面势与栅压，氧化层电容，受主浓度以及势 阱中的自由电子浓度有关。其中 A为栅面积 ， 氧化层的电容
VZ 是栅压 UG、氧化层厚度 dox、N 层厚度 dN、N 层中的施主浓度 ND、 P 基底的受主杂质浓度 NA，以及信号电荷 Qs 的函数。
UG↑→VZ↑；dox↑→VZ↑；dN↑, VZ↑；ND↑→VZ↑；Qs↑→VZ↓。
当有信号电荷落入 Z-Z 处，其电位 VZ 当然会发生变化。VZ 随 QS 的 增加而减小，并且氧化层越厚，N 层越厚，VZ 减小得越快。埋沟 CCD 的 电荷存贮与转移发生在半导体内，而 SCCD 的电荷存贮与转移发生在 Si-SiO2 界面处，因而两者存在着区别。
2．BCCD结构
基底为P型，在硅的表面注入杂质，如元素磷P，使之形 成N型薄层。在N型两端做上N+层，起源和漏的作用。 从金属电极、SiO2层和N型层来看，相当于栅极加负电 压，于是在N区形成场感应耗尽层（电子耗尽层），其厚度 为d1；同时，由于N和P之间施以反偏压，故形成体内的耗
尽层，其厚度为d2+d3，d2，d3分别为扩展到N区及P区的部
Ec
SiO2
Ec
Ei
Ei Ef Ev Emf
P-Si衬底Βιβλιοθήκη Ef EvVs d
(a)
(b)
mf
UG
Al
Ec
SiO2
Ec
Ei
Ei Ef Ev Emf
P-Si衬底
Ef Ev
Vs d
(a)
(b)
空间电荷区两端的电势差为表面势，以VS表示，规定表面电 势比内部高时，VS取正值。由于表面能带向下弯，存在表面 E E 势，具有对电子的收集能力，在表面处形成电子势阱。随 UG↑，VS↑，耗尽层宽度d↑，收集电子能力↑、势阱变深， E E 如图6-2（b）所示。
UG
Al SiO2
P-Si衬底
6.1.2 CCD的势阱深度和存贮电荷能力
栅极 QG Uox 氧化层 QI VS d QD UG CD Cox
QG+QI+QD=0
QG——栅电荷（+）； QI——自由电子电荷（-）； QD——耗尽层固定电荷（-）
P型基底
• QD=NAed • d——耗尽层厚度； • NA——受主杂质浓度
v v mf
UG
Al
Ec
SiO2
Ei
Ec
Ei Vf Ef Ev
P-Si衬底
Vs d (c)
Ef Ev
Emf
(d)
• 在稳定状态下，不能再向势阱注入电荷。这种情 况对于探测光信号是没用的。对于光电探测，所 关心的是非稳态情况。在通常情况下，反型层中 的自由载流子由热生载流子所提供。热生过程比 较缓慢，10-3~10-1s，所以不会立即达到稳定 态。 • 因此可利用反型前的非稳定条件即在深耗尽时人 为地注入信号电荷，如电注入或光注入，就可以 达到存储和转移电荷的目的。这就是CCD的工作 条件。 • 综上所述，CCD就是在非稳定条件下工作的 MOS电容器的集成。
Ei Ef Ev
2. UG>0 多数载流子耗尽 表面处能带向下弯曲，这时越接近表面，费米能级离价带顶 越远; 表面价带中空穴浓度随之降低，表面处空穴浓度将较体内空 穴浓度低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度， 表面层的这种状态称为耗尽，这个表面层称为耗尽层，这属于 空间电荷区。
UG
Al
第6章 CCD和COMS成像器件
• 电荷耦合器件（CCD）的成像器件属于固体成像器件， 其作用原理和寻址方式与电子束扫描的摄像管完全不同。 CCD已成为当前固体成像器件中较普遍采用的类型，但 不能代表所有的固体摄像器件。 • CCD的应用主要有两大类： • 一类是在电子计算机或其它数字系统中用作信息存贮和信 息处理，如用作延时器等， • 另一类才是用于摄像器件。这种装置与真空摄像管的主要 区别在于它把光电转换、信号存贮及读取三个部分都集中 在一个支承片上，成为一个全固体摄像器件。
Wm,Ws分别为金属、半导体 的逸出功
U ox
1 (QI QD ) Cox
自由电荷量QI为ne，n为自由电荷的密度，得：
ne 1 1/ 2 U G U FB Vs (2 N AeVS ) Cox Cox
将（6-5）式代入（6-4）式，并考虑到自由电荷量QD 为ne，n为自由电荷的密度，得，
分的耗尽层，d2，d3随偏压的升高而增大，当增加到某一值 时，d2与d1在Z-Z处相接触时，N区全部电离，d2不能再增
加。一旦贯通后，VZ值与VB无关，不管VB如何进一步增加，
VZ始终保持着贯通时的VB值。
场感应耗尽层
和 PN结耗尽层
图6-10 埋沟CCD
图6-11 埋沟CCD能带
通过计算可得，VZ~UG 近似呈线性，VZ是氧化层厚 度dox、N层厚度dN、N层中 的施主浓度ND、P基底的受 主浓度的受主浓度NA，以及 栅压UG的函数。