微电子学概论第十章电荷功能器件

第十章电荷耦合器件第十章电荷耦合器件101电荷耦合器件简介10.1电荷耦合器件简介10.2电荷耦合器件工作原理10.2电荷耦合器件工作原理10.3电荷耦合器件应用第十章电荷耦合器件第十章电荷耦合器件101电荷耦合器件简介10.1电荷耦合器件简介10.2电荷耦合器件工作原理10.2电荷耦合器件工作原理10.3电荷耦合器件应用第十章电荷功能器件10.1电荷耦合器件简介X光电成像件的类型X光电成像器件的类型10.1电荷耦合器件简介X光电成像第十章电荷功能器件X光电成像原理光电成像系统原理方框图10.1电荷耦合器件简介X电荷耦合件的发第十章电荷功能器件X电荷耦合器件的发展左图所示为固态摄象器件左图所示为固态摄象器件的输出信号的产生，不需加外加扫描电子束，它可以直接由自扫描半体基体上诸象素自扫描半导体基体上诸象素而获得。这样的输出信号与其对应的象素位置对应，无疑是十分准确的，因而再生图象失真度极小。固态图像传感器示意图Ï优点：失真度极小的摄象器件，非常适合于测试技术和图象识别。它还有体积小、集成固态图像传感器示意图象识别。它还有体积小、集成度高、功耗低、耐冲击和抗电磁干扰能力强等许多优点。10.1电荷耦合器件简介X电荷耦合件的发第十章电荷功能器件X电荷耦合器件的发展Ï固态摄象器件主要有五种类型：电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、MOS型图像传感器、电荷引发器件（CPD）和叠层摄象器件。其中以CCD应用最为广泛，所以本章主要介绍这类固态摄象器件。Ï自1970年CCD问世以来，很快在航空、航天、航海、通信、雷达、医学、气象、电视、商业以及军事等部门得到了应用。在成象、信号处理和存储信息等各种应用中，作为成象传感器是人们企望最高，也是收获最大的一个领域，人们认为它是自发展MOS技术以来，半导体是收获最大的个领域人们认为是自发展技术来半导体技术的最大突破。10.1电荷耦合器件简介X电荷耦合件的结构第十章电荷功能器件X电荷耦合器件的结构Ï电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice简称CCD）它将光敏Ï电荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。ÏCCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构它是CCD器件的最小工作单元层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。10.1电荷耦合器件简介X电荷耦合件的结构第十章电荷功能器件X电荷耦合器件的结构其中的一个转移栅电荷耦合器件结构简图其中的个转移栅10.1电荷耦合器件简介X电荷耦合件的结构第十章电荷功能器件X电荷耦合器件的结构表面沟道电荷耦合器件（Surface-channelCCD)三相CCD电极的结构MOS上三个相邻电极每隔两个所有电极接三相CCD电极的结构：MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。10.1电荷耦合器件简介X电荷耦合件的结构第十章电荷功能器件X电荷耦合器件的结构体沟道电荷耦合器件（BulkchannelCCD)体沟道电荷耦合器件（Bulk-channelCCD)10.1电荷耦合器件简介X电荷耦合件的结构第十章电荷功能器件X电荷耦合器件的结构四相结构器件二相结构器件第十章电荷耦合器件第十章电荷耦合器件101电荷耦合器件简介10.1电荷耦合器件简介10.2电荷耦合器件工作原理10.2电荷耦合器件工作原理10.3电荷耦合器件应用10.2电荷耦合器件工作原理X件的表势第十章电荷功能器件XMOS器件的表面势()积累(c)耗尽(a)积累(b)平带(d)强反型()平带(d)强反型MOS电容器的能带结构和电荷分布10.2电荷耦合器件工作原理X件的表势第十章电荷功能器件XMOS器件的表面势MOS电容器的电容电压关系曲线10.2电荷耦合器件工作原理X件的表势第十章电荷功能器件XMOS器件的表面势10.2电荷耦合器件工作原理X电荷存储第十章电荷功能器件X电荷存储三相CCD的表面电荷情况电压关系VG2VG1=VG3没有电荷时有少量电荷时电荷溢出时10.2电荷耦合器件工作原理X电荷存储第十章电荷功能器件X电荷存储包含在一个CCD单元中的电荷电压关系VG3VG1=VG2包含在个CCD单元中的电荷电压关系VG3VG1VG210.2电荷耦合器件工作原理X电荷存储第十章电荷功能器件电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体地交界面处。X电荷存储10.2电荷耦合器件工作原理X电荷传输程第十章电荷功能器件X电荷传输过程2V10V2V2VФ1存有电荷Ф2a存有电荷的势阱2VФ32V10V2V10V2V时钟电压波形图时钟电压波形图bb10.2电荷耦合器件工作原理X电荷传输程第十章电荷功能器件X电荷传输过程2V10V10V2VФ1Ф2cФ32V10V2V10V时钟电压波形图时钟电压波形图d10.2电荷耦合器件工作原理X电荷传输程第十章电荷功能器件X电荷传输过程Ф12V2V10V2VФ2Ф3时钟电压波形图e时钟电压波形图10.2电荷耦合器件工作原理X电荷传输程第十章电荷功能器件X电荷传输过程ƒ通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能通过将定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。前图所示为三相时钟脉冲，此种CCD称为三相CCD。ƒCCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。ƒ产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um。ƒ以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD（工作频率高）,而以空穴为信号电荷的称为型沟道为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD。10.2电荷耦合器件工作原理X电荷注入程第十章电荷功能器件X电荷注入过程（1）光注入当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式＆背面照射式。其光注入电荷：材料的材料的量子效率入射光的光子流速率光敏电压的受光面积率0AtqQeonIPΔ=η光面积eo10.2电荷耦合器件工作原理X电荷注入程第十章电荷功能器件X电荷注入过程（1）光注入背面照射式光注入背面照射式光注入10.2电荷耦合器件工作原理X电荷注入程第十章电荷功能器件X电荷注入过程（（22））电注入电注入：：CCDCCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷压或电流转换为信号电荷压或电流转换为信号电荷。压或电流转换为信号电荷。IDIGФ1Ф2Ф3Ф2ID为源极IG为栅极而Ф2为¾¾电流注入法电流注入法uINID为源极，IG为栅极,而Ф2为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：N+()22UUUCLWIIGINGs−−∗=μP经过tc时间注入后，其信号电荷量为：()CW2uID()cIGINGsTUUUCLWQ22−−∗=μ10.2电荷耦合器件工作原理X电荷注入程第十章电荷功能器件X电荷注入过程（（22））电注入电注入¾电压注入法与电流注入法类似但IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与Ф2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下电荷被注N+脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极Ф2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等电位与N区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的P-Si选通脉冲的终止，IG的势垒把Ф2＆N+的势阱分开。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。10.2电荷耦合器件工作原理X电荷检程第十章电荷功能器件X电荷检测过程信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，而在输出端需选择适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度择适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。电流输出：RDRgOGФ1Ф2A放大N+由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化直流偏来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散＆时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信UDP-Si管反向偏置，形成个深陷落信号电荷的势阱，转移到Ф2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。深势阱中10.2电荷耦合器件工作原理X特性参数第十章电荷功能器件XCCD特性参数1、转移效率＆转移损失率转移效率次转移后到达下个势阱中的电荷与原来势阱中的电转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。()tQ()()01QtQ−=η转移损失率：转移损失率：1ηε−=110.2电荷耦合器件工作原理X特性参数第十章电荷功能器件XCCD特性参数2、工作频率f（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命对于三相为//f故f/均寿命，对于三相CCD,t为：t=T/3=1/3f,故f1/3t。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移的时间的1/3那么信号电荷跟不极所需的时间大于驱动脉冲使其转移的时间的1/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故t≤T/3，即f≤1/3t。第十章电荷耦合器件第十章电荷耦合器件101电荷耦合器件简介10.1电荷耦合器件简介10.2电荷耦合器件工作原理10.2电荷耦合器件工作原理10.3电荷耦合器件应用10.3电荷耦合器件应用CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微CCD读出移位寄存器的数据面显微照片10.3电荷耦合器件应用倍彩色CCD显微照片（放大7000倍）10.3电荷耦合器件应用线阵CCD外形10.3电荷耦合器件应用面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。10.3电荷耦合器件应用面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCD10.3电荷耦合器件应用线阵CCD在扫描仪中的应用10.3电荷耦合器件应用线阵CCD在图像扫描中的应用风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控层分布进行逐行扫描10.3电荷耦合器件应用线阵CCD用于字符识别10.3电荷耦合器件应用CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片