电荷耦合器件基本结构

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1、电荷耦合器件基本结构四电极结构：定向转移的实现定向转移的实现 在在CCD的的MOS阵列阵列上划分成以几个相上划分成以几个相邻邻MOS电荷为一单电荷为一单元的无限循环结构。元的无限循环结构。每一单元称为一位，每一单元称为一位，将每将每位中对应位位中对应位置上的电容栅极分置上的电容栅极分别连到各自共同电别连到各自共同电极上，此共同电极极上，此共同电极称相线。称相线。一位一位CCD中含的电容个数即为中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为的电容个数一般来说即为CCD的位数。的位数。定向转移的实现定向转移的实现 通常通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，

2、它们所施加的有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。12当这种时序脉冲加到当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。号电荷的定向转移。t2-t3时刻，时刻，11电压线性减小，电压线性减小，1 1电极下势阱变浅，电极下势阱变浅，2为高为高电平，电平，2 2电极下形成深势阱，电极下形成深势阱，信号电荷从信号电荷从1 1电极向电极向2 2电极转移，电极转移，直到直到t3t3时刻，信号电荷全部转时刻，信号电荷全部转到到2 2电极下。电极下。重复上述过程，信息电荷从重复上述过程，

3、信息电荷从2电极转移到电极转移到3电极，到电极，到t5时刻，时刻，信号电荷全部转移信号电荷全部转移到到3电极下。电极下。经过一个时钟周期，信号电经过一个时钟周期，信号电荷包向右转移一级，荷包向右转移一级，t6时刻时刻信号电荷全部转移信号电荷全部转移4电极下。电极下。依次类推，信号电荷依次由依次类推，信号电荷依次由1，2，3，4.N向右转向右转移直至输出移直至输出移位寄存器移位寄存器MOS上三个相邻电极，每隔两上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由个所有电极接在一起。由3个个相位差相位差120时钟脉冲驱动。时钟脉冲驱动。三相三相CCD中电荷包的转移过程：中电荷包的转移过程：.9,6,3.8

4、,5,2.741321驱动驱动，驱动t1时刻，时刻，11为高电平，为高电平，2 3为低电平，为低电平，1电极下形成电极下形成深势阱，储存电荷形成电荷包深势阱，储存电荷形成电荷包 信号转移部分由一串紧密排列的信号转移部分由一串紧密排列的MOSMOS电容器构成，根据电荷总是电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。信号电荷转移时，只要转移要向最小位能方向移动的原理工作的。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。右图:三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。由图可见，在信号电荷包运行的

5、前方总有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前连续运动。此外，还有一种(如两相时钟驱动)是利用电极不对称方法来实现势阱分布不对称，促使电荷包向前运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，必须远小于势阱的热弛豫时间，所以CCD 是在非平衡状态工作的一种功能器件。6.2.2 转移信道的结构转移信道的结构 1.SCCD(表面CCD）转移和存储信号电荷的势阱都在硅与氧化硅的界面处，电荷速度与转移效率低，主要原因为客观表面态迁移率的影响。即在硅与氧化硅表面有Na、K杂质离子，表面态上的离子可以接收电子，也可以发射电子，当电子至后续电荷包转移时，表面态发射电

6、子的速度慢，导致电子跟不上信号电荷的转移速度，造成信号电荷的损失，所以转移效率降低，转移速度不能提高。2.BCCD（埋沟（埋沟CCD）基底为基底为P型，在硅表面注入杂质，使之形成型，在硅表面注入杂质，使之形成N型薄层，型薄层，在在N型两端做上型两端做上N+层，起源极与漏极的作用。在层，起源极与漏极的作用。在NP之之间加反偏电压，使形成体内耗尽层，当与氧化层耗尽层相间加反偏电压，使形成体内耗尽层，当与氧化层耗尽层相连通时，形成势阱。当电子向势阱中聚焦时，耗尽层宽度连通时，形成势阱。当电子向势阱中聚焦时，耗尽层宽度减小，同样可以存储和转移电荷，如果施以栅极电压，势减小，同样可以存储和转移电荷，如果

7、施以栅极电压，势能曲线下降，能曲线下降，P区耗尽层加宽，势能曲线下降，势阱加深，区耗尽层加宽，势能曲线下降，势阱加深，可以通过控制栅极达到电荷耦合。可以通过控制栅极达到电荷耦合。BCCD与与SCCD的区别的区别 （1）BCCD中传递信息是电子是N层中的多子，SCCD是P层中的少子 （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。（3）BCCD转移电荷损失比SCCD小12个数量级，具有更好的转移效率。（4）BCCD转移速度高。（5）BCCD最大的优点是低噪声，主要原因是它消除了信号电子与表面态的相互作用。通道的横向限制 如果电极间距较大，势阱的形状会发生弯曲

8、，会使信号电荷露出，或使外电荷漏入，为了克服这一现象，在横向上，对势阱的范围进行限制，方法是形成一个高势能的位垒，将沟道与沟道之间隔开。主要的方法：主要的方法：1.加屏蔽电场加屏蔽电场 2.氧化层台阶法氧化层台阶法 3.沟阻扩散法沟阻扩散法 1.加屏蔽电场加屏蔽电场 在屏蔽电极上加与栅极极性相反的电压，从而形成感在屏蔽电极上加与栅极极性相反的电压，从而形成感应电场，以吸收多子，造成多子在耗尽层内横向边界上的应电场，以吸收多子，造成多子在耗尽层内横向边界上的堆积，以限制耗尽层区的横向扩展。堆积，以限制耗尽层区的横向扩展。2.氧化层台阶法氧化层台阶法 使耗尽层以外的氧化层加厚，保证它下面的半导体不

9、使耗尽层以外的氧化层加厚，保证它下面的半导体不会深耗尽，以起限制作用，氧化层越厚会深耗尽，以起限制作用，氧化层越厚，则位能越浅。，则位能越浅。3.沟阻扩散法沟阻扩散法 在同一栅极下，局部掺杂浓度不同，表面势不同，掺在同一栅极下，局部掺杂浓度不同，表面势不同，掺杂浓度越高，势阱越低，采用离子注入技术，使转移电极杂浓度越高，势阱越低，采用离子注入技术，使转移电极沿衬底浓度高于别处，形成沿衬底浓度高于别处，形成P+层，而且浓度变化要很陡层，而且浓度变化要很陡峭，从而可以有力的限制沟道的宽度。峭，从而可以有力的限制沟道的宽度。6.2.4 6.2.4 电荷的输入结构电荷的输入结构 光注入光注入：正面和背

10、面光照式Qin=qNeoAtc式中：为材料的量子效率；q为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。CCD工作过程分三部分:信号输入、电荷转移和信号输出部分。输入部分输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：光注入和电注入。在滤波、延迟线和存储器应用情况摄像应用 电注入电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相

11、当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通道”流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。电注入方法主要有：电注入方法主要有：1.动态电流积分法 2.二极管截止法 3.电位平衡法基本的指导思想：基本的指导思想：一、要保证电荷包大小同输入的电压成正比二、要保证表面势的大小同输入电压成正比。输入二极管加电位脉冲输入二极管加电位脉冲UD，输入栅极，输入栅极G1加恒定电压加恒定电压UCON，G2上加输入信号的电压上加输入信号的电压，UD低电位时，称为采样，这时势阱被电子注满低电位时，称为采样，这时势阱被电子注满UD变为高电位，即处于强反偏状态，这时变为高电位，即处于强反偏状态，这时

12、G2下的多余电荷向下的多余电荷向二极管区倒流，直到二极管区倒流，直到G2下的表面势与下的表面势与G1下的表面势达到平衡。下的表面势达到平衡。2121/201/21021(2)(2)()GGSsoxGsssGssoxGGVVVQCUVu VVUu VQCUU 由于由于UG1上的电压是固定的，转移的电荷与与信上的电压是固定的，转移的电荷与与信号的电压成正比，当驱动脉冲过来之后，这些电号的电压成正比，当驱动脉冲过来之后，这些电荷会实现转移。荷会实现转移。电位平衡法的优点：电位平衡法的优点：电位平衡法不仅线性好，有信噪比，而且信号电荷在转移过程中，不会因为界面态及电荷转移不完全而使信号失真。电位平衡法

13、消除了栅注入法所带来的随机噪声，它是目前表面CCD作为模拟信号处理较理想的方法。6.2.5 6.2.5 输出部分输出部分 输出部分由输出二极管、输出栅和输出耦合电路组成，作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用，它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度(数百毫伏)，以及良好的线性和较低的输出阻抗。3 （1）输出栅极中电平，电压去掉，电荷包向二极管中转移，D点电位升高，相当于电容充电，3SDF DQUC（2）电压UD作为下一极T2管的栅电压，被放大检出。11mLvmLmLsmLFDg RGg Rg RQUoutg R C（3）当复位脉冲变高电平后，电位直接D点，在下一个电荷到来之前，将所有的电荷抽走，T2复位。