第七章 电荷转移器件

s
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Qsig C0
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7.3 MOS电容的瞬态特性
公式(7-3-4)在CCD的设计中很重要。这是由于ψs标志 着势阱的深度，同时,ψs的梯度支配着少数载流子的运动。 从下列三个式子中可以看出，表面势由衬底掺杂浓度Na 以及决定C0的氧化层厚度x0所控制。若令V为常数，则当Na和 x0减少时，ψs增加。
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7.3 MOS电容的瞬态特性
（b）在t=0+时深
耗尽情况下的能 带图和电荷分布;
（c）热平衡时（ t=∞）的能带图 和电荷分布。
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7.3 MOS电容的瞬态特性
由于实用势阱不是处于饱合条件下，所以CCD器件基 本上是一种动态器件。电荷可以存储在其中，存储的时 间要比热弛豫时间短得多。
在加有信号电荷Qsig之后，总表面的电荷为
(7-3-1）
（7-3-2）
2 s s 将式 xd qN ，(7-3-1）代入（7-3-2）得到 d
（7-3-3）
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7.3 MOS电容的瞬态特性
解方程（7-3-3）求得表面势
式中
信号在电荷在氧化层上产生电压降，它使表面势降低
缘场转移的，因此，若衬底掺杂
为 1015cm−3以及L=7µm，在10MHz 的时钟频率下得到百分之99.99
图7-5 对于各种衬底掺杂浓度，转移效率 到99.99%所需要的时间与栅长度的关系
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的电荷转移。
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7.4 信号电荷的输运传输效率
2.界面态复合陷阱：硅和二氧化硅界面处存在界面态，它们构成 信号电荷俘获和复合的陷阱，这是电荷耗损的重要因素。 减小这种影响的办法除了采取一些工艺措施尽量减少界面态
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7.3 MOS电容的瞬态特性
在深耗尽状态，耗尽层内将产生电子-空穴对。在耗尽层电 场作用下，电子向半导体表面漂移，空穴向半导体体内漂移。进 入体内的空穴中和电离受主，使耗尽层变窄。
电子向半导体表面漂移使表面电子浓度不断增加引起电子从
表面向体内扩散，同时抵制电子向半导体表面的漂移。结果是漂 移不断减弱，扩散不断加强，最终达到漂移流和扩散流相等的动 态平衡--热平衡。达到热平衡所需要的时间即为热弛豫时间。
实验上观察到大部分电荷表现为迅速转移，但总电荷束的
一小部分b以时间常数τ指数式地较慢地转移。因此，较慢的电 荷转移限制着器件的频率特性，且转移效率遵守
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7.4 信号电荷的输运传输效率
信息电荷的转移机制和转移失真因素 ： 信息电荷的转移机制： 1.自感应电场力转移：在刚开始，电荷束非常密集并被限 定于局部，在势阱边缘有大的浓度梯度。这时电子间的 强排斥力--自感应电场力对电荷转移起主要作用。电荷
第7章 电荷转移器件
刘乔
阮雄飞
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Contents
1 2 3 4
电荷转移
深耗尽状态和表面势阱 MOS电容的瞬态特性
信号电荷的输运传输效率
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7.3 MOS电容的瞬态特性
在电荷耦合器件紧密排布的MOS电容器上施加电压脉冲 就产生势阱。少数载流子的存贮和输送就是在这些势阱之 间进行的。给下图所示的MOS电容器加上正的栅偏压，在栅 的下边形成耗尽层。在形成反型层之前，半导体表面处于 深耗尽状态。
Q0之比为 QN / Q0 = ηN= (1− ε )N
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7.4 信号电荷的输运传输效率
对于ε很小的情况， QN/Q0= (1−ε)N≈e-εN 实际CCD往往需要经过大于1000次的转移（即N>1000）,为 了保证经过N次转移以后总的传输效率仍在百分之90以上，失真 率必须达到10-4-10-5。
以外，还可以利用所谓丰零或胖零工作模式。胖零工作模式：这
种工作模式是不管有无信号电荷，都让半导体表面存在一定的背 景电荷，例如背景电荷为信号电荷量的百分之十。通过在整个沟 道上传播小量本底电荷使表面态基本上被填满从而使这种类型的 损耗得到降低。在胖零工作模式下，自感应的漂移显著提高。
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7.4 信号电荷的输运传输效率
为了保证一定的转移效率，时钟电压就有一个上限频 率。例如电极长度L=10μm，D=10cm/s2,估算出τ=4×10-8 秒。如果要求失真率ε<10-4，则要求时钟变化的周期T满
足
e

T

104 e 10
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Thank you
7.4 信号电荷的输运传输效率
在三相P沟道CCD中，对于单独通过热扩散引起的电 荷转移，如果表面空穴采用D=6.75cm/s2，在频率为f的每 个周期中移去电荷的百分之99.99(失真率ε=10-4)，则
时钟频率f不能高于
式中L以微米作单位。如果L=10μm,上限频率只有560kHz。
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(7-3-4） (7-3-5） (7-2-2）
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7.3 MOS电容的瞬态特性
在图7-4中以Na和X0作参数，把（7-3-4）作为V的函数画
成曲线。由于（7-3-5）说明V随Qsig的增加而减少，所以表 面势也是信号电荷量的函数。
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7.3 MOS电容的瞬态特性
7.4 信号电荷的输运传输效率
当一个电荷束沿着 CCD 移动时，每次转移总要在后边 留下小部分电荷。从一个势阱转移到下一个势阱的电荷所 占的比率称为传输效率或转移效率η。留下的电荷所占比
率称为转移失真率ε。
η+ε=1 当信息电荷转移了N个电极之后，总的传输效率应为
ηN，即转移N次之后的信号电荷量QN与原来的信息电荷量
在栅电极和衬底之间的电容是氧化层电容与耗尽层 电容 的串联组合。利用 导出
1 1 1 C C0 Cs
,（7-2-2）和
可以推
若测得Cgs，就可由此式计算出ψs，然后可以利用（73-4）和（7-3-5）计算出信号电荷。也就是说，可以通过考
虑氧化层和耗尽层电容的充电估算信号电荷量。
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7.4 信号电荷的输运传输效率
实际上，由于边缘场的加速作用，上限频率要比这高 得多，如达到10MHz。
电荷转移过程可以通过建立电极之间的边缘场(使之
指向电荷沿沟道传播的方向)得到加速。边缘场就是临近 电极加的栅压所形成的电场。
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7.4 信号电荷的输运传输效率
在虚线以上，通过边缘场移 去信号电荷花费的时间较长，因 此热扩散的效果起支配作用。 在虚线以下，电荷是通过边
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7.4 信号电荷的输运传输效率
转移失真因素 ： 1.对于少量的信号电荷，信号电荷的转移受热扩散所支配。这 种机制使转移电极下的电荷e指数地衰减，它的时间常数由下 式确定
式中D为载流子的扩散系数，L为电极长度。
如果转移电极上的时钟脉冲电压变化太快，电荷来不及完 全转移而留在原势阱中。这样就会造成转移效率的降低。信号 电荷转移的弛豫时间：
束中相当大的一部分（百分之99）通过自感应电场力转
移。
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7.4 信号电荷的输运传输效率
2. 通过热扩散转移：对于小量的信号电荷，信号电荷的转 移受热扩散所支配。 3. 通过边缘场漂移转移：边缘场就是临近电极加的栅压形 成的电场。边缘场对信号电荷有吸引作用，将加速电荷的转 移。