電荷耦合器件

簡介電荷為信號基本功能:電荷的存儲和轉移工作過程:產生、存儲、傳輸和檢測

兩類：電荷包在半導體和絕緣體之間，界面傳播（SCCD）；電荷包存儲在離表面一定深度的體內，體內傳播（BCCD）CCD類型：表面溝道CCD（SCCD）：電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面傳輸；體溝道CCD（BCCD）：電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向傳輸。工作過程：電荷的產生、存儲、傳輸＆檢測。CCD應用的分類：在電子計算機或數字系統中信息存貯與處理攝像裝置主要特性：1.體積小，重量輕，耗電少，啟動快，壽命長2.光譜相應范圍寬3.靈敏度高4.暗電流小，監測噪音低5.動態響應范圍寬6.分辨率高7.與微光像增強器級聯，低照度下可采集信號8.有抗過度曝光性能電荷存儲基本單元是MOS

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表面勢、勢阱柵電極G氧化層P型半導體耗盡區反型層uG>uthuG<uthuG=0構成CCD的基本單元是MOS（金屬－氧化物－半導體）結構。當柵極G施加正偏壓UG之前（UG=0），P型半導體中的空穴（多數載流子）的分布是均勻的；當柵極電壓加正向偏壓（UG<Uth）后，空穴被排斥，產生耗盡區，偏壓繼續增加，耗盡區進一步向半導體內延伸；當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（表面勢ФS）變得如此之高，以至于將半導體體內的電子（少數載流子）吸引導表面，形成電荷濃度極高的極薄反型層，反型層電荷的存在說明了MOS結構具有存儲電荷的功能。ФSUGP型硅雜質濃度Nd=1021m-3反型層電荷QINV=01.0V1.4VUth=2.2V3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面勢與柵極電壓的關系ФSQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面勢與反型層電荷密度的關系曲線的直線特性好，說明兩者有著良好的反比例線性關系。可以“勢阱”的概念來解釋。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢阱填充1/3勢阱全滿勢阱電子被加有柵極電壓的MOS結構吸引到勢能最低的氧化層與半導體地交界面處。MOS電容存儲信號電荷的容量為：Q=Cox?UG?A電荷耦合假定開始有一些電荷存儲在偏壓為20V的第二個電極下面的勢阱里，其他電極上均加有大于閾值得較低電壓（例如2V）。設a圖為零時刻，經過一段時間后，各電極的電壓發生變化，第二個電極仍保持10V，第三個電極上的電壓由2V變為10V，因這兩個電極靠的很近（幾個微米），它們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第二個電極下的電荷變為這兩個電極下勢阱所共有。如圖b＆c。若此后第二個電極上的電壓由10V變為2V，第三個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉移到第三個電極下的勢阱中，如圖e。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。2V10V2V2Va存有電荷的勢阱b2V10V2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2VcdefФ1Ф2Ф3通過將一定規則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時鐘脈沖。如圖f，為三相時鐘脈沖，此種CCD稱為三相CCD。CCD電極間隙必須很小，否則被電極間的勢壘所間隔。產生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結構，表面態密度等因素決定。間隙長度應小于3um。以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD（工作頻率高）,而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD。電荷的注入＆檢測電荷的注入（1）光注入當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內產生電子空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。它有可分為正面照射式＆背面照射式。其光注入電荷：材料的量子效率入射光的光子流速率光敏電壓的受光面積光注入時間U+U+勢壘P-Si背面照射式光注入（2）電注入：CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。電流注入法IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PID為源極，IG為柵極,而Ф2為漏極，當它工作在飽和區時，輸入柵下溝道電流為：經過Tc時間注入后，其信號電荷量為：IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1N+P-Si電壓注入法與電流注入法類似，但輸入柵極IG加與Ф2同位相的選通脈沖，在選通脈沖作用下，電荷被注入到第一個轉移柵極Ф2下的勢阱里，直到阱的電位與N+區的電位相等時，注入電荷才停止。往下一級轉移前，由于選通脈沖的終止，IG的勢壘把Ф2＆N+的勢阱分開。電荷注入量與時鐘脈沖頻率無關。電荷的檢測信號電荷在轉移過程中與時鐘脈沖無任何電容耦合，而在輸出端需選擇適當地輸出電路減小時鐘脈沖容性的饋入輸出電路的程度。（1）電流輸出：如圖a。由反向偏置二極管收集信號電荷來控制A點電位的變化，直流偏置的輸出柵極OG用來使漏擴散＆時鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個深陷落信號電荷的勢阱，轉移到Ф2電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到身勢阱中。UDRDRgAOGФ1Ф2放大P-Si圖aN+OGФ1Ф2浮置擴散T1（復位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置擴散放大器輸出：如圖b.圖b復位管在Ф2下的勢阱未形成前，在RG端加復位脈沖，使復位管導通，把浮置擴散區剩余電荷抽走，復位到UDD，而當電荷到來時，復位管截止，由浮置擴散區收集的信號電荷來控制放大管柵極電位變化。（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。浮柵T2UDDФ1Ф3Ф2Ф1Ф3Ф2Ф3T2的柵極不是直接與信號電荷的轉移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當信號電荷轉移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位。CCD的特性參數1、轉移效率＆轉移損失率轉移效率：一次轉移后，到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比。轉移損失率：ε(t)Q(0)/C5MHz1MHz影響電荷轉移效率的主要因素為界面態對電荷的俘獲。為此，常采用“胖零”工作模式，即讓“零信號”也有一定的電荷。2、工作頻率f（1）下限：為避免由于熱產生的少數載流子對注入信號的干擾，注入電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間必須小于少數載流子的平均壽命，對于三相CCD,t

為：t=T/3=1/3f,故，f>1/3ζ。（2）上限：當工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉移到另一個電極所需的時間大于驅動脈沖使其轉移地時間T/3,那么信號電荷跟不上驅動脈沖的變化，使轉移效率大大降低。故t≤T/3，即f≤1/3t。ε(t)驅動脈沖頻率fQ(0)/C=2V5V10Vε驅動脈沖頻率f實測三相多晶硅N溝道SCCD的關系曲線10MHz電荷耦合攝像器件（ICCD）1、工作原理利用光學成像系統將景物圖像成在CCD地像敏面上。像敏面將照在每一像敏面的圖像照度信號轉變為少數載流子數密度信號存儲于像敏單元（MOS電容）中，然后，再轉移到CCD的移位寄存器（轉移電極下的勢阱）中，在驅動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視頻信號。2、類型（1）線型CCD攝像器件單溝道線型ICCD雙溝道線型ICCD（2）面陣ICCD幀轉移面陣ICCD隔列轉移型面陣ICCD線轉移型面陣ICCD它們的結構原理見課本P126_128ICCD的基本特性參數（1）光電轉換特性良好，光電轉換因子可達到99.7%。（2）光譜響應ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅襯底的ICCD，其光譜響應范圍為0.4~1.1um，平均量子效率為25％，絕對響應為0.1~0.2A*W-1。(3)動態范圍：由勢阱的最大電荷存儲量與噪聲電荷量之比決定。（4）噪聲：電荷注入噪聲；電荷量變化引起的噪聲（轉移噪聲）＆檢測時產生的噪聲（輸出噪聲）。（5）暗電流產生的主要原因：耗盡的硅襯底中電子自價帶至導帶的本征躍遷；少數載流子在中性體內的擴散；來自SiO2表面（硅中缺陷＆雜質數目）