圖像傳感器檢測系統(tǒng)

當x＝0時，表面勢如下由此可求得耗盡層厚度為空間電荷區(qū)內單位面積的電荷量面處的電場電壓VG為SiO2中的電壓降和表面勢之和當柵電壓有微小變化ΔVG時，電極中的電荷量與硅中的電荷量大小相等，符號相反。若ΔVG引起電極上電荷量的變化為ΔQ，成電容形式，即有

(13一16)式中，為耗盡層電容。從上述各式可得到柵電容與柵電壓VG的函數關系如下

(13一17/p>

表面勢的概念對理解電荷耦合器件工作原理是很重要的，由可知，在一定的摻雜濃度下，表面勢VS與柵極偏壓VG有關，因為xd與VG有關/p>

3．VG＞Vth＞0的反型狀態(tài)

在上述基礎上正電壓VG進一多增加，表面處能帶相對體內進一步向下彎曲，當VG超過某一閾值時，將使得表面處禁帶中央能級Ei降到EFS以下，導帶底E-離費米能級置EFS

，更近一些。這表明表面處電子濃度超過空穴濃度，已由P型變?yōu)镹型。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。而從圖中還可看出，反型層到半導體內部之間還夾有一層耗盡層。0755-833764890755-83376489

反型狀態(tài)可分為弱反型和強反型兩種情況。當表面勢VS增加到正好等于體內費米勢φF

時，在表面EF達到Ei，表明表面處電子濃度開始超過空穴濃度。這種情況稱為“弱反型”/p>

所謂強反型狀態(tài)定義為表面處反型載流子濃度ns已達到體內多數載流子p0的濃度，即ns>p0表面處電子濃度可寫為式中，no和p0分別為p型半導體內熱平衡時的電子濃度和空穴濃度常發(fā)生強反型的條件寫成從式中可以看出，半導體襯底摻雜濃度NA越高，半導體表面越不易反型/p>

在強反型狀態(tài)下，表面處電子濃度隨VS增加呈指數地增長，而VS隨耗盡層寬度xd呈二次函數增加。因此，一旦出現反型層，即使提高柵電壓，使柵極的正電荷進一步增加，但由于反型層中的電子也增加而維持平衡，結果耗盡層寬度幾乎不變，即達到耗盡層寬度最大值。可式也表明在一定溫度下，NA越大，則xdmax越小。聚集在反型層中的電子由耗盡層中的熱激發(fā)產生的電子—空穴對供給。由于這種機構產生比較緩慢，即使在直流電壓上疊加上小的交流電壓，反型層的電子數也不能響應這種交流變化。所以在強反型狀態(tài)下，耗盡層達到最大寬度xdmax而且不隨VG而變化，MOS電容將達到極小值并大致保持恒定/p>

在MOS結構中，表面出現強反型狀態(tài)時對應的外加偏壓VG稱為閾值電壓(又叫開啟電壓)，常用Vth表示/p>

從圖中的能帶看到，對表面反型層的電子來說，一邊是SiO2絕緣層，它的導帶比半導體高許多。另一邊是彎曲的導帶形成的一個陡坡，其代表由空間電荷區(qū)電場形成的勢壘以，反型層中的電子實際上是被限制在表面附近能量最低的一個狹窄區(qū)域。因此，常稱反型層為溝道。P型半導體的表面反型層是由電子構成的，所以稱為N溝道。反之，N型半導體稱為P溝道。0755-833764892CCD的工作原理和結構CCD是一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列，它具有存儲和轉移信息的能力，故又稱為動態(tài)移位寄存器。為了了解CCD的工作原理，必須了解MOS電容之間的耗盡層耦合。0755-833764892.1耗盡層耦合考察兩個間隔較大的MOS電容器，在兩個金屬柵極之間沒有被金屬覆蓋那部分的氧化物下的表面勢，將由氧化層上面的情況、固定氧化物電荷Qf及襯底摻雜濃度等確定這種情況下，不可能使一個MOS電容器中存貯的信息電荷轉移到另一個MOS電容器中兩個金屬柵極彼此足夠靠近時，其間隙下的表面勢將由兩個金屬柵極上的電位決定，從而就能夠形成兩個MOS電容器下面耗盡層的耦合，使一個MOS電容器中存貯的信號電荷轉移到下一個MOS電容器中去CD能否成功地工作，首先決定于金屬電極的排布情況。為了找出最佳的間隙寬度，必須對各種尺寸的器件求解二維泊松方程并給出表面勢作為間隙的函數曲線所得結果看，為保證表面勢不形成高的勢壘，間隙寬度g應小于3μm。如果g等于3μm，勢壘基本消失。g＜3μm時邊緣效應還可以加速電荷的轉移。上述模型中取dox＝0．3μm，但實際中常采用dox

＝0.1μm。這樣，要實現相鄰MOS電容的勢阱良好耦合，必須要求間隙里g＜1μm。0755-833764892.2CCD的工作原理

當CCD工作時，可以用光注入或電注入的方法向勢阱注入信號電荷，以獲得自由電子或自由空穴。勢阱所存貯的自由電荷通常也稱為電荷包。在提取信號時，需要將電荷包有規(guī)則地傳遞出去，即進行電荷的轉移CD中電荷的轉移必須按照確定的方向。為此，MOS電容器列陣上所加的電位脈沖必須嚴格滿足相位時序要求，使得任何時刻勢附的變化總是朝著一個方向圖所示，當電荷從左向右轉移時，在任何時刻，當存貯有信號電荷的勢斷抬起時，與之相鄰的右邊的勢階總比該勢斷深，這樣才能保證電荷始終朝右邊轉移常在CCD的MOS列陣上將幾個相鄰的MOS電容器劃分為一個單元而無限循環(huán)，每一單元稱為一位。將每一位中對應位置上的電容柵極分別連在各自共同的電極線上，稱之為相線。如圖13—10(a)中所示，三相CCD中l(wèi)、4、7…為一共同相線，2、5、8…及3、6、9…分別為另外二個共同相線?？梢?，一位CCD中包含的電容器個數即為CCD的相數，或者說每相線連起來的電容器的個數即為CCD的位數。0755-833764890755-83376489圖中給的是N襯底P溝道情況，而對P襯底N溝道情況，只需將所加電壓反極性即可。上述這種P溝道情況，因其必須加負極性柵壓，且空穴的遷移率低，故除特殊用途外，通常大多都是使用N溝道CCDCD中信號電荷的轉移還必須沿確定的路線。所以，在工藝設計時必須考慮好溝道與溝阻。電荷轉移的通道稱為溝道。而限定溝道的部分稱為溝阻，根據前邊的討論，在相同VG下，NA越高，Vs越低。所以可以在設計為溝阻的部位做更高摻雜，形成溝阻，從而確定溝道。0755-833764892．3CCD的基本結構

1．轉移電極結構轉移電極結構通常按照每位采用的電極相數來劃分。對于普通結構的CCD，為了使電荷包單向轉移，至少需要三相。對于特殊結構的CCD，也可采用二相供電或四相供電等方式/p>

(l)三相電極結構(三相CCD)

三相CCD的結構使電荷定向運動，采用對稱電極結構，三相CCD是最簡單的電極結構。因為在某一確定的時刻，對存貯有電荷的電極而言，兩個相鄰電極，需要一個被“打”開，另一個保持“關”閉，以阻止電荷倒流。通常這種電極結構有三種形式三相單層鋁電極結構：它是一個完整的三相CCD單層鋁電極結構。是在輕摻雜的硅襯底上先生成一層0.1μm的SiO2，而后在SiO2上蒸發(fā)一層鋁，采用光刻工藝形成間隙很窄的電極。這種結構存在明顯的缺點。電極間隙處SiO2表面裸露在周圍氣氛中，有可能沾污SiO2表面，造成表面勢不穩(wěn)定，影響轉移效率/p>

②三相電阻海結構：為得到封閉的電極結構，采用的方法之一就是引用硅柵結構。在氧化物層上沉積一層多晶硅，然后按要求對電極區(qū)域選擇摻雜(硼或磷)，形成三相電極形狀，電極間互連和焊接區(qū)采用蒸鋁來實現種結構是封閉式，性能穩(wěn)定，成品率高。但由于光刻和多晶硅定域摻雜難以保證電極間高阻區(qū)很窄，使得每個單元尺寸較大，這樣的結構僅用于小型列陣器件。而且電極低阻區(qū)的電阻率必須合適，既要低得足以使電勢能跟隨時鐘波形的變化，又不能產生過大的功率耗散，這是難以掌握的困難問題/p>

③三相交疊硅柵結構：三相交疊硅柵結構是常用三相交疊電極結構形式。電極間窄間隙，又封閉的電極結構。三相交疊電極可以是多晶硅，也可以是鋁金屬，或者兩種混用相交疊硅柵的形成工藝是，先在硅表面生成一層高質量的氧化物，跟著沉積一層多晶硅，摻雜后按規(guī)定圖案光刻出第一組電極；而后再進行熱氧化，形成一層氧化物，再沉積多晶硅、摻雜，第二次光刻出第二組電極；第三組電極形成方法與第二組電極相同介質層也可采用復合介質層，如SiO2-氮化硅。若采用鋁柵，則用陽極氧化法來形成電極間的絕緣層。這種結構可得到小至幾百納米的電極間隙，單元尺寸也小，溝道又是封閉式的，因而受到歡迎了發(fā)揮各類CCD結構的最佳性能，對時鐘脈沖有一定的要求。對三相時鐘脈沖有三點要求：①三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內，電荷電源勢阱與接收勢阱同時共存，以保證電荷在這兩個勢阱間充分轉移；②時鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)；③時鐘脈沖幅度選取適當/p>

(2)二相CCD電極結構為使CCD能在二相時鐘脈沖驅動下工作，電極本身必須設計成不對稱性，在這種不對稱電極下產生體內勢壘，保證電荷能定向運動現不對稱電極結構，可利用同一電極下不同氧化物厚度臺階和離子注人來產生體內勢壘相多晶硅柵極結構。二相時鐘方法在結構上和時鐘驅動上都很簡單。但它也有缺點，即因為厚氧化層下面是阻擋勢壘，不能存貯電荷，加之勢阱勢壘差減小，所以，能夠存貯在勢阱中的信號電荷量比三相時鐘情況少。0755-833764890755-833764890755-833764890755-83376489二相CCD結構可以采用l（1/2）工作模式驅動，即一個柵電極加一定的直流偏壓，另一個柵電極加時鐘脈沖。雖然這種工作模式比一般的二相方式的時鐘脈沖擺幅要大些，但驅動的外圍電路可以簡化，受到用戶歡迎/p>

(3)四相CCD電極結構奇數電極位于厚SiOz上，偶數電極位于薄SiOz上。因此，即使在同一柵電壓下，偶數電極下面的耗盡層要深一些。0755-833764890755-833764890755-83376489

四相CCD工作狀態(tài)與三相器件、二相器件相比，較為適合于工作時鐘頻率很高的情況(如100MHz)，此時驅動波形接近正弦波/p>

除了上述三種電極形式CCD外，還有一種虛相CCD結構形式。這種形式可以看作是二相CCD的l（1/2）工作驅動模式的推廣，即把保持直流電壓的電極不做在柵氧化層上面，而是在柵氧化層下硅表面上注入一淺的P型層作閾值位移用。只要注入劑量足夠大，則不管柵壓為正為負，表面勢將始終鉗位在零，故其上有無電極已無所謂。實際上是堆積在表面的薄空穴層對下面的埋溝起著“虛”柵的作用。這樣驅動虛相CCD實際上只要一個時鐘相脈沖，從而將大大地簡化驅動電路。0755-833764890755-83376489以上的討論也告訴我們，器件驅動電路的簡化是以器件內部結構的復雜化為代價而得到的/p>

2．轉移溝道結構

CCD的電荷轉移溝道有兩種形式，即表面溝道和體內或埋溝道形式。前者稱為表面CCD，簡記為SCCD；后者稱為埋溝CCD，簡記為BCCD。前面介紹的原理都是表面CCD的，因此，這里只介紹埋溝CCD面CCD存在如電荷轉移速度和轉移效率低等問題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。在Si和SiO2界面處的表面態(tài)，能夠接受電荷包中的電子，也能向電荷包發(fā)射電子電荷包轉移時，空的界面態(tài)從溝道中獲得電子，如果它能很快地把這些電子釋放出來，隨原電荷包一起前進，將不影響轉移效率若釋放慢，則電子將進入后續(xù)的電荷包，造成信息損失。為了避免表面態(tài)的這種影響，將電荷轉移溝道做在體內，從而形成埋溝CCD/p>

埋溝CCD的原理如圖所示。設襯底為P型，在硅的表面注入雜質，如磷，典型濃度為1012／cm2：使之形成N型薄層。在N型層的兩端做上N+層，起源和漏的作用開始時，VG＝0，N+區(qū)加上足夠的正偏壓，并取襯底為零電位，這樣柵極相對于N層為負，于是在N區(qū)形成場感應耗盡層(電子耗盡)，其厚度為dl，同時由于N和P之間施以反偏壓，故形成體內耗盡層，其厚度為d2十d32和d3分別為耗盡層擴展到N區(qū)及P區(qū)的部分。d2

d3

隨偏壓的升高而增大。但當d2

同d1相接觸時，N區(qū)全部電離，d2不能再增加。若設d1同d2的交界線為z，則在極限情況下，Vz不隨偏壓而改變溝CCD的能帶圖。從圖中可以看出最低勢能不在界面處，而是在體內。此處能夠收集電子，作為電子通道。當通道內有自由電荷時，勢能發(fā)生變化/p>

埋溝CCD與表面CCD電荷轉移機理的區(qū)別在于：①前者攜帶信息的電子是N層中的多子，而后者則是P層中的少子；②表面CCD中的信號電荷集中在界面處很薄的反型層中，而埋溝CCD的信號電荷集中在體內的z平面附近/p>

如果施以正的柵壓，則勢能曲線下降，且P區(qū)耗盡層加寬型的埋溝CCD結構如圖13—25所示。它的輸入與輸出部分與表面CCD相似/p>

埋溝CCD在性能上則至少在以下幾點上優(yōu)于表面CCD：①因信號電荷在體內存貯和轉移，避開了界面態(tài)俘獲信號電荷的不良影響，所以轉移損失率較小，一般比表面CCD小1一2個數量級。