電荷耦合器件的基本結構

1、6.2.1 ccd6.2.1 ccd的電極結構：的電極結構： ccd中電荷的存貯和傳輸是通過改變各電極上所加電壓實現(xiàn)的。按照加在電極上的脈沖電壓相數(shù)來分，電極的結構可分為二相、三相、四相等結構形式。 三相電阻海結構三相電阻海結構二相硅二相硅-鋁交疊柵結構鋁交疊柵結構四電極結構：定向轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)定向轉(zhuǎn)移的實現(xiàn) 在在ccd的的mos陣列陣列上劃分成以幾個相上劃分成以幾個相鄰鄰mos電荷為一單電荷為一單元的無限循環(huán)結構。元的無限循環(huán)結構。每一單元稱為每一單元稱為一位一位，將每將每位中對應位位中對應位置上的電容柵極分置上的電容柵極分別連到各自共同電別連到各自共同電極上，此共同電極極上，此共同電極稱相線。

2、稱相線。 一位一位ccd中含的電容個數(shù)即為中含的電容個數(shù)即為ccd的的相數(shù)相數(shù)。每相電極連接。每相電極連接的電容個數(shù)一般來說即為的電容個數(shù)一般來說即為ccd的位數(shù)。的位數(shù)。定向轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)定向轉(zhuǎn)移的實現(xiàn) 通常通常ccd有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施加的有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。12當這種時序脈沖加到當這種時序脈沖加到ccd的無限循環(huán)結構上時，將實現(xiàn)信的無限循環(huán)結構上時，將實現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)移。號電荷的定向轉(zhuǎn)移。 t2-t3時刻，時刻，11電壓線性減電壓線性減小，小，1 1電極下勢阱變淺，電極下勢阱變淺，

3、 2為高電平，為高電平，2 2電極下形成深勢電極下形成深勢阱，信號電荷從阱，信號電荷從1 1電極向電極向2 2電極電極轉(zhuǎn)移，直到轉(zhuǎn)移，直到t3t3時刻，信號電荷時刻，信號電荷全部轉(zhuǎn)到全部轉(zhuǎn)到2 2電極下。電極下。重復上述過程，信息電荷從重復上述過程，信息電荷從2電極轉(zhuǎn)移到電極轉(zhuǎn)移到3電極，到電極，到t5時刻，時刻， 信號電荷全部轉(zhuǎn)移信號電荷全部轉(zhuǎn)移到到3電極下。電極下。經(jīng)過一個時鐘周期，信號電經(jīng)過一個時鐘周期，信號電荷包向右轉(zhuǎn)移一級，荷包向右轉(zhuǎn)移一級，t6時刻時刻信號電荷全部轉(zhuǎn)移信號電荷全部轉(zhuǎn)移4電極下。電極下。依次類推，信號電荷依次由依次類推，信號電荷依次由1，2，3，4.n向右轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)移直

4、至輸出移直至輸出移位寄存器移位寄存器mos上三個相鄰電極，每隔兩上三個相鄰電極，每隔兩個所有電極接在一起。由個所有電極接在一起。由3個個相位差相位差120時鐘脈沖驅(qū)動。時鐘脈沖驅(qū)動。三相三相ccd中電荷包的轉(zhuǎn)移過程：中電荷包的轉(zhuǎn)移過程： .9 , 6 , 3.8 , 5 , 2.741321驅(qū)動驅(qū)動，驅(qū)動t1時刻，時刻，11為高電平，為高電平， 2 3為低電平，為低電平，1電極下形成電極下形成深勢阱，儲存電荷形成電荷包深勢阱，儲存電荷形成電荷包 信號轉(zhuǎn)移部分由一串緊密排列的信號轉(zhuǎn)移部分由一串緊密排列的mosmos電容器構成，根據(jù)電荷總是電容器構成，根據(jù)電荷總是要向最小位能方向移動的原理工作的。

5、信號電荷轉(zhuǎn)移時，只要轉(zhuǎn)移要向最小位能方向移動的原理工作的。信號電荷轉(zhuǎn)移時，只要轉(zhuǎn)移前方電極上的電壓高，電極下的勢阱深，電荷就會不斷的向前運動。前方電極上的電壓高，電極下的勢阱深，電荷就會不斷的向前運動。右圖:三相時鐘驅(qū)動的ccd結構和時鐘脈沖。由圖可見，在信號電荷包運行的前方總有一個較深的勢阱處于等待狀態(tài)，于是電荷包便可沿著勢阱的移動方向向前連續(xù)運動。此外，還有一種(如兩相時鐘驅(qū)動)是利用電極不對稱方法來實現(xiàn)勢阱分布不對稱，促使電荷包向前運動。勢阱中電荷的容量由勢阱的深淺決定，電荷在勢阱中存儲的時間，必須遠小于勢阱的熱弛豫時間，所以ccd 是在非平衡狀態(tài)工作的一種功能器件。 6.2.2 轉(zhuǎn)移信

6、道的結構轉(zhuǎn)移信道的結構 1. sccd(表面ccd） 轉(zhuǎn)移和存儲信號電荷的勢阱都在硅與氧化硅的界面處，電荷速度與轉(zhuǎn)移效率低，主要原因為客觀表面態(tài)遷移率的影響。 即在硅與氧化硅表面有na 、k雜質(zhì)離子，表面態(tài)上的離子可以接收電子，也可以發(fā)射電子，當電子至后續(xù)電荷包轉(zhuǎn)移時，表面態(tài)發(fā)射電子的速度慢，導致電子跟不上信號電荷的轉(zhuǎn)移速度，造成信號電荷的損失，所以轉(zhuǎn)移效率降低，轉(zhuǎn)移速度不能提高。 2.bccd（埋溝（埋溝ccd） 基底為基底為p型，在硅表面注入雜質(zhì)，使之形成型，在硅表面注入雜質(zhì)，使之形成n型薄層，型薄層，在在n型兩端做上型兩端做上n+層，起源極與漏極的作用。在層，起源極與漏極的作用。在np之

7、之間加反偏電壓，使形成體內(nèi)耗盡層，當與氧化層耗盡層相間加反偏電壓，使形成體內(nèi)耗盡層，當與氧化層耗盡層相連通時，形成勢阱。當電子向勢阱中聚焦時，耗盡層寬度連通時，形成勢阱。當電子向勢阱中聚焦時，耗盡層寬度減小，同樣可以存儲和轉(zhuǎn)移電荷，如果施以柵極電壓，勢減小，同樣可以存儲和轉(zhuǎn)移電荷，如果施以柵極電壓，勢能曲線下降，能曲線下降，p區(qū)耗盡層加寬，勢能曲線下降，勢阱加深，區(qū)耗盡層加寬，勢能曲線下降，勢阱加深，可以通過控制柵極達到電荷耦合。可以通過控制柵極達到電荷耦合。 bccd與與sccd的區(qū)別的區(qū)別 （1）bccd中傳遞信息是電子是n層中的多子，sccd是p層中的少子 （2）sccd中的信息電荷集中

8、在界面處很薄的反型層中，而bccd的信息電荷集中在體內(nèi)。 （3）bccd轉(zhuǎn)移電荷損失比sccd小12個數(shù)量級，具有更好的轉(zhuǎn)移效率。 （4）bccd轉(zhuǎn)移速度高。 （5）bccd最大的優(yōu)點是低噪聲，主要原因是它消除了信號電子與表面態(tài)的相互作用。6.3.3通道的橫向限制 如果電極間距較大，勢阱的形狀會發(fā)生彎曲，會使信號電荷露出，或使外電荷漏入，為了克服這一現(xiàn)象，在橫向上，對勢阱的范圍進行限制，方法是形成一個高勢能的位壘，將溝道與溝道之間隔開。主要的方法：主要的方法： 1.加屏蔽電場加屏蔽電場 2.氧化層臺階法氧化層臺階法 3.溝阻擴散法溝阻擴散法 1.加屏蔽電場加屏蔽電場 在屏蔽電極上加與柵極極性相

9、反的電壓，從而形成感在屏蔽電極上加與柵極極性相反的電壓，從而形成感應電場，以吸收多子，造成多子在耗盡層內(nèi)橫向邊界上的應電場，以吸收多子，造成多子在耗盡層內(nèi)橫向邊界上的堆積，以限制耗盡層區(qū)的橫向擴展。堆積，以限制耗盡層區(qū)的橫向擴展。 2.氧化層臺階法氧化層臺階法 使耗盡層以外的氧化層加厚，保證它下面的半導體不使耗盡層以外的氧化層加厚，保證它下面的半導體不會深耗盡，以起限制作用，氧化層越厚會深耗盡，以起限制作用，氧化層越厚 ，則位能越淺。，則位能越淺。 3.溝阻擴散法溝阻擴散法 在同一柵極下，局部摻雜濃度不同，表面勢不同，摻在同一柵極下，局部摻雜濃度不同，表面勢不同，摻雜濃度越高，勢阱越低，采用離

10、子注入技術，使轉(zhuǎn)移電極雜濃度越高，勢阱越低，采用離子注入技術，使轉(zhuǎn)移電極沿襯底濃度高于別處，形成沿襯底濃度高于別處，形成p+層，而且濃度變化要很陡層，而且濃度變化要很陡峭，從而可以有力的限制溝道的寬度。峭，從而可以有力的限制溝道的寬度。6.2.4 6.2.4 電荷的輸入結構電荷的輸入結構 光注入光注入：正面和背面光照式qin=qneoatc式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； neo為入射光的光子流速率；a為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。 ccd工作過程分三部分:信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移和信號輸出部分。 輸入部分輸入部分的作用是將信號電荷引入到ccd的第一個轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中。引入的方式

11、有兩種：光注入和電注入。 在濾波、延遲線和存儲器應用情況攝像應用 電注入電注入機構由一個輸入二極管和一個或幾個輸入柵構成，它可以將信號電壓轉(zhuǎn)換為勢阱中等效的電荷包。 輸入柵施加適當?shù)碾妷?，在其下面半導體表面形成一個耗盡層。如果這時在緊靠輸入柵的第一個轉(zhuǎn)移柵上施以更高的電壓，則在它下面便形成一個更深的耗盡層。這個耗盡層就相當于一個“通道”，受輸入信號調(diào)制的電荷包就會從輸入二極管經(jīng)過“通道”流人第一個轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中，完成輸入過程。電注入方法主要有：電注入方法主要有： 1.動態(tài)電流積分法 2.二極管截止法 3.電位平衡法基本的指導思想：基本的指導思想：一、要保證電荷包大小同輸入的電壓成正比二、要保

12、證表面勢的大小同輸入電壓成正比。輸入二極管加電位脈沖輸入二極管加電位脈沖ud，輸入柵極，輸入柵極g1加恒定電壓加恒定電壓ucon，g2上加輸入信號的電壓上加輸入信號的電壓 ，ud低電位時，稱為采樣，這時勢阱被電子注滿低電位時，稱為采樣，這時勢阱被電子注滿ud變?yōu)楦唠娢?，即處于強反偏狀態(tài)，這時變?yōu)楦唠娢?，即處于強反偏狀態(tài)，這時g2下的多余電荷向下的多余電荷向二極管區(qū)倒流，直到二極管區(qū)倒流，直到g2下的表面勢與下的表面勢與g1下的表面勢達到平衡。下的表面勢達到平衡。2121/201/21021(2)(2)()ggssoxgsssgssoxggvvvqcuvu vvuu vqcuu 由于由于ug1上

13、的電壓是固定的，轉(zhuǎn)移的電荷與與信上的電壓是固定的，轉(zhuǎn)移的電荷與與信號的電壓成正比，當驅(qū)動脈沖過來之后，這些電號的電壓成正比，當驅(qū)動脈沖過來之后，這些電荷會實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。荷會實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。 電位平衡法的優(yōu)點：電位平衡法的優(yōu)點： 電位平衡法不僅線性好，有信噪比，而且信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中，不會因為界面態(tài)及電荷轉(zhuǎn)移不完全而使信號失真。電位平衡法消除了柵注入法所帶來的隨機噪聲，它是目前表面ccd作為模擬信號處理較理想的方法。6.2.5 6.2.5 輸出部分輸出部分 輸出部分由輸出二極管、輸出柵和輸出耦合電路組成，作用是將ccd最后一個轉(zhuǎn)移柵下勢阱中的信號電荷引出。 最簡單的輸出電路是通過二極管檢出，輸出柵采用直流偏置。這種電路簡單，但是噪聲較大，很少采用。 浮置擴散放大器(fda)的讀出方法是一種最常用的ccd電荷輸出方法。它包括兩個mosfet，并兼有輸出檢測和前置放大的作用，它