半导体物理第七章课件
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第七章电荷转移器件（CTD）
半导体器件物理
© Dr. B. Li
CTD分类
戽链器件－BBD（1969）
CTD 电荷耦合器件CCD 表面CCD－SCCD
（1970） 体内CCD－BCCD
（埋沟）
半导体器件物理
© Dr. B. Li
7.1 CCD工作原理
• 电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称 CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一 种新型半导体器件。
Wm
( 后，再增加的VG主要降在SiO2层上，而s基 本不变，Wm基本不变。
❖反型层电子来源主要由耗尽层复合中心产生电子－空
穴对提供。强反型所需驰豫时间为：
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2 ni
NA
❖用脉冲突然给栅极加上+VG(且VG >VT)，耗尽层来 不及反型—非平衡状态。
© Dr. B. Li
7.2 CCD物理性能
一、信息处理能力（最大电荷容量） 1. 理想的最大信号容量（势阱消失的值）
QpACoVp AVp d11
1:SiO2介电常数 d1： SiO2厚度
当d1一定，提高Vp（VG）可提高Qp。但是提高Vp受两个限制： A）半导体雪崩击穿限制 B）SiO2层击穿电场的限制
❖ 电子势阱的物理模型：
表面处电势s 很高，电子静电势能（-qs)很低，形成电 子势阱。
对一定器件，耗尽层越宽，则电子势能值也越大，即势阱 越深。
随时间，产生的电子－空穴对，在电场作用下，电子被 扫向表面处形成反型层，空穴扫向内部填充（中和）固 定 电 荷 区 ， 使 WWm ， 即 势 阱 变 浅 。 s 2F(bulk),SiO2层分压。
信道在表面处
1. 工作原理
半导体器件物理
© Dr. B. Li
1. 输入输出结构
2. 输入：输入二极管
3.
输入栅（用于提供通道，控制Q信与注入同
步）
4.
（输入栅与1极相连接，当加＋VG时，输入二极管n＋
p正偏，使信号Q信注入）
5. 输出：输出二极管（收集Q信）
6.
输出栅（提供通道）
7.
放大器（供检测）
最大容量Qm信＝？ Qm信＝ACo s （Co为SiO2层单位面积电容） 若Q信 Qm信，则Q信溢出势阱。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
Q信的传输 若两势阱靠近，且耗尽层连通（栅边缘电场相 互作用的结果），则Q信从浅阱流入相邻的深 阱。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
二、SCCD（表面CCD）工作原理
半导体器件物理
© Dr. B. Li
图7-1 电荷转移系统
在戽链器件中，电荷转移是通过采用分立或集成的元件在电路级基 础上构成的。
在器件级基础上的电荷转移结构是通过CCD实现的。如图7-2 。
在图7-2（a）中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置5V高， 这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷贮存在这个电极下边。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
图7-3 表面势阱示意图 （a）表面势阱 （b）信息电荷的储存和传输
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2.信息电荷Q信的贮存及传输 存入Q信后势阱的变化
对一定的＋VG（栅极上正电荷量一定）存入Q信（电 子）后，耗尽层变窄（因为屏蔽正电荷所需的固定 负电荷量），表面势s ，势阱深度－qs ， 且Q信 -qs 。
• CCD器件不同于其他器件的突出特点：以电荷作 为信号，即信息用电荷量(称为电荷包)代表，而其 它器件则都是以电压或电流作为信号的。
• CCD的基本结构是一种密排 MOS二极管阵列， MOS二极管将被偏置到深耗尽状态。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
电荷转移的概念可以用增益为1以及输入阻抗无穷大 的一系列放大器连成的链来说明，如图7-1.
如果把电极3偏置在15V，在电极3下边
V3=5V
于是建立起一个更深的势阱，贮存的电荷
寻求更低的电势，因而，当势阱移动时它
们沿着表面移动。
此结构需要3个电极以便电荷贮存，并
且使电荷转移只沿着一个方向。因此可以
称它是三相系统。
图7-2 三相CCD的基本动作
半导体器件物理
© Dr. B. Li
一、表面势阱及电荷传输
半导体器件物理
© Dr. B. Li
3. 二相SCCD 简单电极情形 a）不实用的结构（用三相CCD结构）
有部分Q信倒流，不能实现定向传输。 b）实用的电极结构
利用电位台阶的阻挡作用，防止倒流。 非简单电极结构
利用绝缘层厚度不同，绝缘层与半导体内的分压不同 造成电位台阶。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
1. 表面势阱（深耗尽状态） 2. CCD与MOSFET的区别： 3. MOSFET：利用反型层（沟道）工作（稳态，热平
衡态）。 4. CCD：利用深耗尽层状态（表面势阱）工作（瞬态，
非平衡态）。
5. 随时间增加，深耗尽状态的耗尽层渐变成反型层， 以p型硅衬底为例进一步说明。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
由SiO2层击穿电场决定的 Qp＝AD＝A1Em
半导体器件物理
© Dr. B. Li
如何估算VP、QP？
i)由
VG d1
Em(SiO2)
ii)由W和Vp用有关的公式确定半导体耗尽层的Em。
2 实际Qp<理想Qp 原因 a)实际注入量<Qp
b) 阱中热产生电荷占据部分容量 C）胖零偏置的背景电荷占据部分容量
三、BCCD（体内CCD）工作原理
信道在体内，传输效率优于SCCD
1. 结构
2. 增设薄n层（～1m），使之与输入、输出二极 管n＋区相连。二极管加适当反偏压，使n层全耗尽。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2.体内信道的形成
在n层全耗尽的条件下，若 加 ＋ VG ， 且 ＋ VG<SD, 则 有部分电力线指向栅极 （感生负电荷），电场E （x），电势V（x）分布 发生变化，如图所示，最 高电势Vm移入体内x1处， 即能带极小值出现在体内 x1处—形成体内信道。
控制各栅极时钟脉冲，可使
Q信在体内信道传输
半导体器件物理
© Dr. B. Li
半导体器件物理
© Dr. B. Li
3.优缺点（与SCCD比较）
优点 体内信道避免界面态的俘获作用，可提高传输效率。 体内迁移率高于表面，可加速Q信的传输。
缺点 有效的电容量减少（d增加了，使总电容量下降） 工艺复杂
半导体器件物理
半导体器件物理
© Dr. B. Li
CTD分类
戽链器件－BBD（1969）
CTD 电荷耦合器件CCD 表面CCD－SCCD
（1970） 体内CCD－BCCD
（埋沟）
半导体器件物理
© Dr. B. Li
7.1 CCD工作原理
• 电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称 CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一 种新型半导体器件。
Wm
( 后，再增加的VG主要降在SiO2层上，而s基 本不变，Wm基本不变。
❖反型层电子来源主要由耗尽层复合中心产生电子－空
穴对提供。强反型所需驰豫时间为：
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2 ni
NA
❖用脉冲突然给栅极加上+VG(且VG >VT)，耗尽层来 不及反型—非平衡状态。
© Dr. B. Li
7.2 CCD物理性能
一、信息处理能力（最大电荷容量） 1. 理想的最大信号容量（势阱消失的值）
QpACoVp AVp d11
1:SiO2介电常数 d1： SiO2厚度
当d1一定，提高Vp（VG）可提高Qp。但是提高Vp受两个限制： A）半导体雪崩击穿限制 B）SiO2层击穿电场的限制
❖ 电子势阱的物理模型：
表面处电势s 很高，电子静电势能（-qs)很低，形成电 子势阱。
对一定器件，耗尽层越宽，则电子势能值也越大，即势阱 越深。
随时间，产生的电子－空穴对，在电场作用下，电子被 扫向表面处形成反型层，空穴扫向内部填充（中和）固 定 电 荷 区 ， 使 WWm ， 即 势 阱 变 浅 。 s 2F(bulk),SiO2层分压。
信道在表面处
1. 工作原理
半导体器件物理
© Dr. B. Li
1. 输入输出结构
2. 输入：输入二极管
3.
输入栅（用于提供通道，控制Q信与注入同
步）
4.
（输入栅与1极相连接，当加＋VG时，输入二极管n＋
p正偏，使信号Q信注入）
5. 输出：输出二极管（收集Q信）
6.
输出栅（提供通道）
7.
放大器（供检测）
最大容量Qm信＝？ Qm信＝ACo s （Co为SiO2层单位面积电容） 若Q信 Qm信，则Q信溢出势阱。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
Q信的传输 若两势阱靠近，且耗尽层连通（栅边缘电场相 互作用的结果），则Q信从浅阱流入相邻的深 阱。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
二、SCCD（表面CCD）工作原理
半导体器件物理
© Dr. B. Li
图7-1 电荷转移系统
在戽链器件中，电荷转移是通过采用分立或集成的元件在电路级基 础上构成的。
在器件级基础上的电荷转移结构是通过CCD实现的。如图7-2 。
在图7-2（a）中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置5V高， 这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷贮存在这个电极下边。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
图7-3 表面势阱示意图 （a）表面势阱 （b）信息电荷的储存和传输
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2.信息电荷Q信的贮存及传输 存入Q信后势阱的变化
对一定的＋VG（栅极上正电荷量一定）存入Q信（电 子）后，耗尽层变窄（因为屏蔽正电荷所需的固定 负电荷量），表面势s ，势阱深度－qs ， 且Q信 -qs 。
• CCD器件不同于其他器件的突出特点：以电荷作 为信号，即信息用电荷量(称为电荷包)代表，而其 它器件则都是以电压或电流作为信号的。
• CCD的基本结构是一种密排 MOS二极管阵列， MOS二极管将被偏置到深耗尽状态。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
电荷转移的概念可以用增益为1以及输入阻抗无穷大 的一系列放大器连成的链来说明，如图7-1.
如果把电极3偏置在15V，在电极3下边
V3=5V
于是建立起一个更深的势阱，贮存的电荷
寻求更低的电势，因而，当势阱移动时它
们沿着表面移动。
此结构需要3个电极以便电荷贮存，并
且使电荷转移只沿着一个方向。因此可以
称它是三相系统。
图7-2 三相CCD的基本动作
半导体器件物理
© Dr. B. Li
一、表面势阱及电荷传输
半导体器件物理
© Dr. B. Li
3. 二相SCCD 简单电极情形 a）不实用的结构（用三相CCD结构）
有部分Q信倒流，不能实现定向传输。 b）实用的电极结构
利用电位台阶的阻挡作用，防止倒流。 非简单电极结构
利用绝缘层厚度不同，绝缘层与半导体内的分压不同 造成电位台阶。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
1. 表面势阱（深耗尽状态） 2. CCD与MOSFET的区别： 3. MOSFET：利用反型层（沟道）工作（稳态，热平
衡态）。 4. CCD：利用深耗尽层状态（表面势阱）工作（瞬态，
非平衡态）。
5. 随时间增加，深耗尽状态的耗尽层渐变成反型层， 以p型硅衬底为例进一步说明。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
由SiO2层击穿电场决定的 Qp＝AD＝A1Em
半导体器件物理
© Dr. B. Li
如何估算VP、QP？
i)由
VG d1
Em(SiO2)
ii)由W和Vp用有关的公式确定半导体耗尽层的Em。
2 实际Qp<理想Qp 原因 a)实际注入量<Qp
b) 阱中热产生电荷占据部分容量 C）胖零偏置的背景电荷占据部分容量
三、BCCD（体内CCD）工作原理
信道在体内，传输效率优于SCCD
1. 结构
2. 增设薄n层（～1m），使之与输入、输出二极 管n＋区相连。二极管加适当反偏压，使n层全耗尽。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2.体内信道的形成
在n层全耗尽的条件下，若 加 ＋ VG ， 且 ＋ VG<SD, 则 有部分电力线指向栅极 （感生负电荷），电场E （x），电势V（x）分布 发生变化，如图所示，最 高电势Vm移入体内x1处， 即能带极小值出现在体内 x1处—形成体内信道。
控制各栅极时钟脉冲，可使
Q信在体内信道传输
半导体器件物理
© Dr. B. Li
半导体器件物理
© Dr. B. Li
3.优缺点（与SCCD比较）
优点 体内信道避免界面态的俘获作用，可提高传输效率。 体内迁移率高于表面，可加速Q信的传输。
缺点 有效的电容量减少（d增加了，使总电容量下降） 工艺复杂
半导体器件物理