5.4.2电荷耦合摄像器件(CCD)的基本工作原理（课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

第2章 电荷耦合摄像器件（CCD）的基本工作原理 CCD的突出特点： 以电荷为信号的载体。 CCD的基本功能： 电荷的存储和电荷的转移 CCD的基本工作过程： 信号电荷的产生、存储、转移和检测。 CCD的两种基本类型： （1）表面沟道CCD（简称为SCCD） （2）体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD） 构成CCD的基本单元是如图2-1（a）所示的MOS（金属-氧化物-半导体）结构。 当栅极施加正电压UG小于等于p型半导体的阈值电压Uth时，p型半导体中的空穴将被排斥，并在半导体中产生如图2-1（b）所示耗尽区。 UG继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，如图2-1（c）所示。 图2-1 CCD栅极电压变化对耗尽区的影响 2.1 电荷存储 无外电场作用下电子均匀分布 外电场作用开始显现 外电场作用形成深势阱 将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势Φs，Φs将随栅极电压UG的增加而增加，他们的关系曲线如图2-2所示。 图2-2 表面势Φs与栅极电压UG的关系 图2-2描述了在掺杂为1021 cm-3，氧化层厚度为0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm情况下，不存在反型层电荷时，表面势Φs与栅极电压UG的关系曲线。 图2-3为UG不变的情况下，表面势Φs与反型层电荷密度Qinv之间的关系。可见，Φs随Qinv的增加而线性减小。 不考虑反型层电荷影响 反型层电荷对表面势的影响 据图2-2与图2-3的关系曲线，可以用 “势阱”概念来描述。 在没有反型层电荷时，势阱的“深度” UG的关系恰如Φs与UG的关系，如图2-4（a）空势阱的情况。 图2-4（b）为反型层电荷填充1/3势阱时表面势收缩的情况。 图2-4（c）当反型层电荷继续增加，表面势Φs将逐渐减少，反型层电荷足够多时，表面势Φs减少到最低值2ΦF。此时，电子将产生“溢出”现象。 图2-4 势阱 （a）空势阱 （b）填充1/3的势阱 （c）全满势阱 Q=COXUG 2.2 电荷耦合 2.3 CCD的电极结构 CCD电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输入单元结构和信号检测单元结构。 1、 三相CCD的电极结构 （1）三相单层铝电极结构 图2-6 采用“阴影腐蚀技术”的三相器件 （a）第一层金属腐蚀后（b）第二层金属腐蚀后 图2-6所示的是三相单层金属电极结构。它的特点是工艺简单且存储密度较高。 （2）三相电阻海结构 为解决成品率较低和电极间隙的裸露问题，引入了一种简单的硅栅结构。 在氧化层上沉积一层高阻多晶硅，再对电极区域进行选择掺杂，形成如图2-7所示的低阻区（转移电极）被高阻区间隔的电阻海结构。 图2-7三相CCD电阻海结构 （3）三相交叠硅栅结构 图2-8所示为三层多晶硅交叠栅结构示意图。 图2-8三层多晶硅三相交叠结构栅 在单晶硅片上生长栅氧，接着淀积氧化硅和一层多晶硅，然后在多晶硅层刻出第一组电极。 用热氧化在电极表面形成一层氧化物，以便与接着淀积的第二层多晶硅绝缘。 第二层用同样方法刻出第二组电极后进行氧化。 重复上述工艺步骤，以形成第三层电极。 2、二相CCD （1）二相硅-铝交叠栅结构 图2-9所示的是二相硅-铝交叠栅结构。 图2-9二相硅-铝交叠结构栅 在这些电击伤热生长绝缘氧化物的过程中，没有被多晶硅覆盖的栅养区厚度也将增加。 该结构的第一层电极采用低阻多晶硅。 (2) 阶梯状氧化物结构 可用一次金属化过程形成不对称势阱，制成二相CCD电极结构。 如图2-10所示的两种工艺都可以制成二相结构。 图2-10 具有阶梯氧化物的二相结构栅 （a）第1种工艺结构 （b）第2种工艺结构 （3）注入势垒二相结构 采用离子注入技术可以在电极下面不对称位置上设置注入势垒区，如图2-11所示。 图2-11 注入势阱二相结构 与上述阶梯状氧化物结构相比，离子注入技术容易制成较高的电势台阶，而且如果注入的离子就集中在界面附近，势垒高度受电极电势的影响比较小。 3、四相CCD 图2-12是三种四相CCD电极结构。 图2-12(a)的结构是在两层金属(例如铝)制作的电极中间淀积100nm厚的二氧化硅（SiO2）做绝缘。 图2-12(b)所示的结构与多晶硅-铝交叠栅的结构相类似，只是现在各电极下的绝缘层厚度是一样的，各电极的面积都相同。 图2-12(c)所示的是采用两层多晶硅电极结构，采用两层铝电极的结构可以用阳极氧化方法获得SiO2绝缘层。 图2-12 四相CCD电极结构 （a）两层金属中间淀积物 （b）多晶硅-金属交叠栅结构 （c）两层铝电极用氧化铝绝缘 图2-13所示为四相器件在转移过程中某一时刻的表面势分布。四相器件的操作方式与三相、二相器件相比，较为适应很高的时钟频率(例如100MHZ)，波形接近正弦波的驱动脉冲。电荷