固体成像器件成像原理

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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
1.金属-半导体功函数差的影响
功函数是指一个起始能量等于费米能量EF的电子由金属或半导
Al-SiO2-
Si(P)
Wm小于半导体的功函数WS如图
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
当二者刚刚接触而没有达到平衡时，由于金属的费米 能级高于半导体的费米能级，电子将从金属流向半导 体。金属表面因缺少电子而带正电，半导体表面由于 电子过剩而出现空间负电荷区。从而在SiO2 -Si(P)界 面由这些正负电荷作用产生指向半导体内部的电场， 使Si表面能带向下弯曲。当达到平衡时，金属Al与半 导体之间的接触电势差Φms为
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
反型状态可分为弱反型和强反型两种情况。当表面势 Vs增加到正好等于体内费米势ΦF时，即
Vs =ΦF
在表面EF
Ei
所谓强反型状态定义为表面处反型载流子浓度ns，已达 到体内多数载流子p0的浓度，即
ns ≥p0
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
在强反型状态下，表面处电子浓度随Vs增加呈指数地 增长，而Vs随耗尽层宽度xd 一旦出现反型层，即使提高栅电压，使栅极的正电荷 进一步增加，但由于反型层中的电子也增加而维持平 衡，结果耗尽层宽度几乎不变，即达到耗尽层宽度最 大值。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
从图 (d)中的能带看到，对表面反型层的电子来说，一 SiO2绝缘层，它的导带比半导体高许多。另一边
是弯曲的导带形成的一个陡坡，其代表由空间电荷区电 场形成的势垒。所以，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，因此，常称反型 层为沟道。P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所 以称为N沟道。反之，N型半导体则称为P
CCD 并使用有限差分方法，通过计算机求解泊松方程，得 到如图所示结果，即给出表面势作为各种间隙宽度和 各种电极长度时的对应曲线。
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8.2.1 MOS电容器的耦合
从所得结果看，为保证表面势不形成高的势垒，间隙宽 度g应小于3μm。如果g等于3μm，势垒基本消失。 g＜ 3μm时边缘效应还可以加速电荷的转移。同时，采用交 叠栅结构还能防止裸露间隙氧化物外表面的静电条件随 工作环境湿度变化造成的转移效率降低。
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8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器 的电荷存储原理)
非稳态时Vs特别大，此时表面处电子的静电势能为eVs，特别低，从而形成电子的深势阱，其深度为eVs。 如果此时有外界光信号或电信号的激励或注入，即在 空间电荷区产生电子-空穴对或注入电子，则空穴在表 面电场作用下被驱赶到体内耗尽区外，而电子则逆电 场运动进入势阱存储起来。
如图所示，当电荷从左向右转移时，在任何时刻，当存
储有信号电荷的势阱抬起时，与之相邻的右边的势阱总
比该势阱深，这样才能保证电荷始终朝右边转移。为此，
CCD的MOS阵列上将几个相邻的MOS电容器划分为
一个单元而无限循环，每一单元称为一位。将每一位中
对应位置上的电容栅极分别连在各自共同的电极线上，
称之为相线。如图 (a)
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
仍以P型硅半导体为例。在MOS电容器上施加足够大的Vg， 使半导体近界面处能带向下弯曲形成反型层。在电压加到 栅极上去的瞬间，在介电弛豫时间(约10-12s)内，金属电 极上即感应生成正电荷，而半导体中只有多子空穴能跟上 变化，少子电子取决于产生-复合过程而跟不上这个变化 (还来不及产生)，反型层也还没有形成(尽管Vg＞Vth)，因 此有N个空穴从表面流向体内，体内则有同样数目的空穴 流向底电极以保持体内的电中性。
阱。也就是说表面还处在载流子耗尽状态，因此耗尽层
从表面一直延伸到体内较深处，故也称此时为深耗尽状
态(形成势阱)。深耗尽状态实际上是MOS电容器处于热
非平衡时的一种状态。
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
随着时间的推移，热激发产生的电子将由于电场(有时 附加有扩散)作用而进入势阱(即向界面集中)，空穴则 流入衬底。势阱中的电子增加将使该处的能带抬高，最 后恢复热平衡状态(稳态)，并在表面形成强反型层，如 图(b)
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
理想MOS系统的C(Vg)特
性Baidu Nhomakorabea往与实际测量得到的
C(Vg)特性不完全一致,
这是因为我们没有考虑金
属电极和半导体的功函数
差Φms、Si-SiO2界面上 存在的表面电荷Qss以及 在SiO2中因沾污产生的可 动电荷等因素的影响作用，
二者的差别如图所示
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§8.2 CCD的结构与特性
8.2.1 8.2.2 8.2.3
MOS电容器的耦合 CCD CCD
8.2.4 CCD
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8.2.1 MOS电容器的耦合
CCD能否成功地工作，首先决定于金属电极的排布情 况。为了找出最佳的间隙宽度，必须对各种尺寸的器 件求解二维泊松方程并给出表面势作为间隙的函数曲
第八章 固体成像器件成像原理及应用
§8.1 §8.2 §8.3 §8.4 §8.5 §8.6
CCD的物理基础与工作原理 CCD的结构与特性 CCD成像原理 增强型（微光）电荷耦合成像 CCD的应用 CMOS成像器件及其应用
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
8.1.1 稳态下的MOS电容器 8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压 8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器的电荷
(1) Vg＜0 当在金属栅极上加上直流负偏压，即Vg＜0时，电场使 Si内部的可移 动空穴集中到Si-SiO2界面，在Si表面形成多数载流子积累层。这种 状态称为“积累状态”。当达到热平衡时，Vg的一部分降落在SiO2层 内，其余部分将作用于半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs＜0，则eVs＞0，表面处能带向上弯曲，如图 (b)所示
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8.2.3 CCD的结构
① 三相单层铝电极结构。如图所示
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理想MOS系统在外加偏压下的能带变化
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
MOS电容器的状态是随栅极电压Vg的变化而不同的。 在Vg为零时，Si表面没有电场的作用，其载流子浓度 与体内一样。Si本身呈电中性，电子能量从体内到表 面都相等，所以能带是平坦的，不存在表面空间电荷 区。这种状态称为“平带状态”。如图 (a)所示。
CCD中1、4、7…
为一共同相线，2、5、8…及3、6、9…分别为另外二个
共同相线。可见，一位CCD中包含的电容器个数即为CCD
的相数，或者说每相线连起来的电容器的个数即为CCD的
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8.2.3 CCD的结构
1.转移电极结构
转移电极结构通常按照每位采用的电极相数来划分。对于普通结 构的CCD，为了使电荷包单向转移，至少需要三相。对于特殊结构 的CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。 (1) 三相电极结构(三相CCD) 三相CCD是最简单的电极结构。因为在某一确定的时刻，对存储有电 荷的电极而言，两个相邻电极，需要一个被“打开”，另一个保持 “关闭”，以阻止电荷倒流。
此外，CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。为此， MOS电容器阵列上所加的电位脉冲必须严格满足相位时 序要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。 下图给出了三相CCD转移过程原理图和电位脉冲时序波 形图。
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三相SCCD的转移过程及时钟脉冲波形
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
从非平衡态的建立到达到热平衡所需的时间(热激发所 产生的电子填满势阱所需的时间)称为存储时间T。T通 常表示为
T=(2τ0NAV)/ni
式中，τ0为耗尽区少子寿命。存储时间的长短主要取 决于硅晶体的完整性，优质硅单晶的存储时间长达几秒 甚至几十秒。
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
3.实际MOS系统的栅极电压和阈值电压
实际MOS系统在金属栅极上所加电压的有效值为 Vg′=Vg-VFB=Vg+［Φms+Qf/Cox+1/(Coxdox)∫dox0xρ(x)dx ］ MOS系统中的阈值电压为
Vth=VFB+2ΦF-QB/Cox
2.SiO2层上、层中及SiO2 -Si界面电荷的影响
SiO2层上、层中及SiO2-Si界面存在有各种电荷，这些电荷也将引 起半导体表面处的能带弯曲。这些电荷大致上可分为五种基本类 型： (1) 氧化物层上因沾污引起的正负离子 (2) SiO2层中的可动离子电荷 (3) 固定氧化物电荷Qf (4) 氧化物陷阱电荷 (5)
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
ms
Ws
Wm e
（8-31）
为了使表面能带由弯曲变成平直，必须在金属栅极上施加一个负 电压，以抵消因功函数差带来的影响，如图 (c)所示。该电压 是为恢复平带状态所加，故称为平带电压，即
VFB ms
（8-32）
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
CCD的电荷转移是利用耗尽层耦合原理，即根据加在MOS Vg(＞Vth，一般Vth为2V)越高产生的势阱
越深的事实，在耗尽层耦合的前提下，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
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8.2.2 CCD的电荷传输原理
留下一层离化的受主离子，这种状态称为多数载流子 “耗尽状态”。这种情况相当于MOS电容器充负电。 表面处能带向下弯曲，如图 (c)所示。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
(3) Vg＞Vth＞0的反型状态
在上述基础上正电压Vg进一步增加，如图 (d)所示，表面处能带相 对体内进一步向下弯曲，当Vg超过某一阈值时，将使得表面处禁带中 央能级Ei降到EFP以下，导带底E-离费米能级EFP更近一些。这表明表 面处电子浓度超过空穴浓度，已由P型变为N型。这种情况称之为“反 型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导体内部之间还夹有一层
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
积累状态下可将半导体衬底同金属板一样对待，则每单 MOS
C=Cox=εoxε0 dox
式中，ε0 SiO2的介电常数。
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
(2) Vg＞0的多数载流子耗尽状态
当在栅电极上加上Vg＞0的小电压时，P型衬底中的空 Si
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
当在栅极加上电压，即Vg不为零时，Si 可通过求解下面的
d 2V dx 2
0
d 2V
dx 2
0 s
( SiO2) (P型衬底中)
(8-1)
式中数，。ρ为电荷密度；εs为硅的介电常数，ε0为真空中的介电常
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
下面分三种情况讨论：
存储原理)
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8.1.1 稳态下的MOS电容器
理想MOS系统结构如图所示。在硅片上生长一层SiO2层，厚度为 dox，再蒸镀上一层金属铝作为栅电极。硅下端制成欧姆接触， 便构成一个MOS二极管或MOS电容器。Vg为加在栅电极上的偏压， 当栅电极对地为正时，则Vg为正；反之，Vg为负。半导体作为底 电极，称为“衬底”。衬底分为P型硅衬底和N型硅衬底，它对应 不同的沟道形式。由于电子迁移率高，所以，大多数CCD选用P型 硅衬底。
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8.1.2 MOS电容器系统的实际开启电压
Vs=V+V0-(V20+2VV0)1/2
上式是CCD势阱工作的基本关系式。CCD就是利用MOS电容 器的上述过程来存储信号和转移信号的。该过程将信号 电荷从一个因带有这些电荷而变浅的势阱中驱入相邻的 尚未变浅的深势阱中。CCD是一种工作在非平衡状态的器 件。
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8.1.3 非稳态下的MOS电容器(MOS电容器 的电荷存储原理)
在界面层内留下了同样数目的离化受主。此时的能带
结构如图 (a)所示，外加电压大部分降落在半导体表面
的空间电荷区上(即Vs)，只有一小部分降落在SiO2层上 (即Vox)。此时，尽管半导体表面已形成强反型的条件， 但因电子尚没来得及产生，实质上那里只是空的电子势