辅助阅读材料 第三章光电转换器件 的大小，而表面势又随栅电压而变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的 信号电荷，耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种 热产生的少数载流子电流叫做暗电流，以区别于光照下产生的载流子。因此电荷 耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。 金 氧化层 信号电荷 入沟阻 p-Si 空屏 (aMOS电容器 (b)有信号电荷的势阱 图3.8电荷存储 2.电荷转移 典型的三相CCD结构如图3.9(a)所示。三相CCD有由每三个栅为一组的间 隔紧密的MOS结构组成的阵列，每相隔两个栅的栅电压连接到同一驱动信号上， 也称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如图3.9(b)所示。在1，时刻，中，高电位， 中，、中，为低电位。此时中，电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号 电荷（电子）注入，则电荷就被存储在中电极下的势阱中。2时刻，中、中高 电位，中，为低电位，则中、中，下的两个势阱的空阱深度相同，但因中下面有 存储电荷，则④，势阱的实际深度比中，电极下面的势阱浅，中下面的电荷将向④， 下面转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。1时刻，中，仍为高电位，巾仍 为低电位，而中，由高到低转变。此时，中下面的势阱逐渐变浅，使中下的剩余 电荷继续向巾下的势阱转移。1，时刻，巾，仍为高电位，中、中，为低电位，巾 下面的势阱最深，信号电荷都被转移到中，下面的势阱中，这与1时刻的情况相 似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。上述各时刻的势阱分布及电荷包转移 情况如图3.9©)所示。当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位 置，即一个栅周期（也称一位）。因此时钟的周期变化就可使CCD中的电荷包在 电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的位移寄有 器
辅助阅读材料 第三章 光电转换器件 的大小，而表面势又随栅电压而变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的 信号电荷，耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种 热产生的少数载流子电流叫做暗电流，以区别于光照下产生的载流子。因此电荷 耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。 (a) MOS 电容器 (b) 有信号电荷的势阱 图 3.8 电荷存储 2. 电荷转移 典型的三相 CCD 结构如图 3.9（a）所示。三相 CCD 有由每三个栅为一组的间 隔紧密的 MOS 结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电压连接到同一驱动信号上， 也称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如图 3.9（b）所示。在 时刻， 1t Φ1高电位， Φ 2 、Φ 3为低电位。此时Φ1电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号 电荷（电子）注入，则电荷就被存储在Φ1电极下的势阱中。 时刻， 2t Φ1、Φ 2 高 电位，Φ 3为低电位，则Φ1、Φ 2 下的两个势阱的空阱深度相同，但因Φ1下面有 存储电荷，则Φ1势阱的实际深度比Φ 2 电极下面的势阱浅，Φ1下面的电荷将向Φ 2 下面转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。 时刻， 3t Φ 2 仍为高电位，Φ 3仍 为低电位，而Φ1由高到低转变。此时，Φ1下面的势阱逐渐变浅，使Φ1下的剩余 电荷继续向Φ 2 下的势阱转移。 时刻， 4t Φ 2 仍为高电位，Φ1、Φ 3为低电位，Φ 2 下面的势阱最深，信号电荷都被转移到Φ 2 下面的势阱中，这与 时刻的情况相 似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。上述各时刻的势阱分布及电荷包转移 情况如图 3.9(c)所示。当经过一个时钟周期 1t T 后，电荷包将向右转移三个电极位 置，即一个栅周期（也称一位）。因此时钟的周期变化就可使 CCD 中的电荷包在 电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的位移寄存 器。 6
辅助阅读材料 第三章光电转换器件 (b) 图3.9典型的三相电极结构及电荷转移 为了简化外围电路，发展了多种两相CCD结构。图3.10(a)为“阶梯氧化层” 两相电极结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此形成的势阱也为阶梯状。 两相时钟波形如图3.10(b)所示，电荷的转移过程如图3.10(c)所示。 P-3i (c) 图3.10两相电极结构及电荷转移 由半导体物理可知，在垂直于界面的方向上，信号电荷的势能在界面 处最小。因此信号电荷只是在贴近界面的衬底层运动，将这种转移沟道在界 面的CCD器件称为表面沟道器件，即SCCD(Surface Channel CCD)。前面 介绍的就是表面沟道CCD器件。这种器件工艺简单，动态范围大，但信号 电荷在转移过程中受到表面态的影响，使转移速度和转移效率降低，不宜制 成长线阵及大面阵器件，工作频率一般低于1OMHz以下。为了避免或减轻 上述不足，研制了体内沟道器件（或埋沟道CCD),即BCCD(Bulk or Buried Channel CCD)。这种器件中，用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使 势能极小值脱离界面而进入村底内部，形成体内转移的沟道，避免了表面态 的影响，使得该器件的转移效率高达99.999%以上，工作频率可高达 100Mz,且能做成大规模器件。 3.电荷检测 电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构 及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最为广泛，其原理结构
辅助阅读材料 第三章 光电转换器件 图 3.9 典型的三相电极结构及电荷转移 为了简化外围电路，发展了多种两相 CCD 结构。图 3.10(a)为“阶梯氧化层” 两相电极结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此形成的势阱也为阶梯状。 两相时钟波形如图 3.10(b)所示，电荷的转移过程如图 3.10(c)所示。 图 3.10 两相电极结构及电荷转移 由半导体物理可知，在垂直于界面的方向上，信号电荷的势能在界面 处最小。因此信号电荷只是在贴近界面的衬底层运动，将这种转移沟道在界 面的 CCD 器件称为表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）。前面 介绍的就是表面沟道 CCD 器件。这种器件工艺简单，动态范围大，但信号 电荷在转移过程中受到表面态的影响，使转移速度和转移效率降低，不宜制 成长线阵及大面阵器件，工作频率一般低于 10MHz 以下。为了避免或减轻 上述不足，研制了体内沟道器件（或埋沟道 CCD），即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）。这种器件中，用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使 势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内转移的沟道，避免了表面态 的影响， 使得该器件的转移效率高达 99.999%以上，工作频率可高达 100MHz，且能做成大规模器件。 3. 电荷检测 电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构 及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最为广泛，其原理结构 7