资源简介

(共13张PPT)
电荷的收集 MOS 电容器
电荷的收集 MOS 电容器
MOS 电容器是所有MOS(金属-氧化物-半导体) 结构中最简单的，它是CCD的构成基础；弄清楚这种结构的原理对理解CCD的工作原理是非常有用的。
MOS电容器有二种类型：表面沟道和埋沟。 这二种类型MOS电容器的制造只有些微地不同；然而，由于埋沟电容结构具有很多显著的优点，因此这种结构成了CCD制造工艺的首选。事实上今天制造的所有CCD几乎都利用埋沟结构。
电荷的生成
CCD的量子效率QE是波长的函数
TH7834响应曲线
电荷的生成
各种不同CCD的量子效率的比较
思考：
CCD的窗口玻璃影响性能吗？为什么？
电荷的收集
CCD工作过程的第二步是电荷的收集，是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。
为了收集电荷，必须制造一个收集区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集的电荷不被复合。
收集区：势阱。
电荷的收集 MOS 电容器
二氧化硅
电极
N型硅
P型硅
光生电子－空穴对
耗尽区
埋沟电容是在 一个 p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面上形成一个 n-型区(~1μm厚)； 然后，生长出一层薄的二氧化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。
电子的势能：
q 是电子的电荷量，而 为静电势
2-6
无偏置时， n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散， p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散； 这个结构与二极管结的结构完全相同。上述的扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。
n
p
沿此线的电势示于上图.
电势
CCD厚度方向的截面图
这种‘埋沟’结构的优点是能使光生电荷离开CCD 表面，因为在CCD表面缺欠多，光生电荷会被俘获。这种结构还可以降低热噪声（暗电流）。
电荷的收集 MOS 电容器
电子势能最小的地方位于n-型区内并与硅 - 二氧化硅 (Si - SiO 2) 的交界面有一定距离
这个势能最小(或电位最高) 的地方就是多余电子聚集的地方。
CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位 。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。
电荷的收集 MOS 电容器
电势
电势
势能
势能
CCD曝光时，产生光生电荷，光生电荷在势阱里收集。随着电荷的增加，电势将逐渐变低，势阱被逐渐填满，不再能收集电荷，达到饱和。
势阱能容纳的最多电荷称为满阱电荷数。
n
p
电势
最大电势区
电荷的收集 MOS 电容器
实际的埋沟结构
埋沟结构的两边各有一个比较厚(~0.5-1.5μm)的场氧化物区。该区与高掺杂的 p-型硅一起形成形成沟阻，该区的静电势对栅极的电压和电压变化不敏感，始终保持形成势垒。
电荷的收集 MOS 电容器
栅极
N型埋沟
场氧化物
沟阻
P型衬底
耗尽区
信号电荷
氧化物
埋沟结构的MOS电容的主要特点是：
能在单一电极之下的一个局部区域内产生势阱；
能调整或控制栅极下面的势能；
储存电荷的位置 (势能最小处)离 Si- Si02 交界面有一定的距离；
低的暗电流使其能够长时间的储存信号电荷 (取决于工作条件可以从数十秒到数小时)；
所收集的电荷可以通过光照、电注入等产生；
能快速地将电荷从一个电极之下的一个位置转移到下一个邻近的电极下面，而且损失非常低。
电荷的收集 MOS 电容器
像元边界
电荷包
p-型硅
n-型硅
SiO2 绝缘层
电极结构
像元边界
入射的光子
光子入射到CCD中产生电子空穴对， 电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。
电荷的收集
电荷收集的效率与电势的分布、复合寿命和扩散长度有关。
电荷的收集
复合寿命
由光子激发出的电子在重新跃迁回价带(与空穴复合)之前可以在硅晶格内活动的时间是有限的。这个过程的时间常数称为复合寿命，其大小取决于硅的质量和掺杂的浓度。越长，信号电子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。

展开更多......

收起↑