圖像傳感器應(yīng)用技術(shù) 第4版 課件 2.1 電荷存儲(chǔ)

第2章電荷耦合攝像器件的基本工作原理CCD的突出特點(diǎn)：以電荷為信號(hào)的載體。CCD的基本功能：電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移CCD的基本工作過程：信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測。CCD的兩種基本類型：（1）表面溝道CCD（簡稱為SCCD）（2）體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）

構(gòu)成CCD的基本單元是如圖2-1（a）所示的MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。當(dāng)柵極施加正電壓UG小于等于p型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth時(shí)，p型半導(dǎo)體中的空穴將被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生如圖2-1（b）所示耗盡區(qū)。

UG繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸，如圖2-1（c）所示。圖2-1CCD柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響2.1電荷存儲(chǔ)無外電場作用下電子均勻分布外電場作用開始顯現(xiàn)外電場作用形成深勢(shì)阱將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)記為表面勢(shì)Φs，Φs將隨柵極電壓UG的增加而增加，他們的關(guān)系曲線如圖2-2所示。圖2-2表面勢(shì)Φs與柵極電壓UG的關(guān)系圖2-2描述了在摻雜為1021cm-3，氧化層厚度為0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm情況下，不存在反型層電荷時(shí)，表面勢(shì)Φs與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。圖2-3為UG不變的情況下，表面勢(shì)Φs與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系?？梢?，Φs隨Qinv的增加而線性減小。不考慮反型層電荷影響反型層電荷對(duì)表面勢(shì)的影響據(jù)圖2-2與圖2-3的關(guān)系曲線，可以用“勢(shì)阱”概念來描述。在沒有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”

UG的關(guān)系恰如Φs與UG的關(guān)系，如圖2-4（a）空勢(shì)阱的情況。圖2-4（b）為反型層電荷填充1/3勢(shì)阱時(shí)表面勢(shì)收縮的情況。圖2-4（c）當(dāng)反型層電荷繼續(xù)增加，表面勢(shì)Φs將逐漸減少，反型層電荷足夠多時(shí)，表面勢(shì)Φs減少到最低值2ΦF。此時(shí)，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。圖2-4勢(shì)阱（a）空勢(shì)阱（b）填充1/3的勢(shì)阱（c）全滿勢(shì)阱Q=COXUG

2.2電荷耦合2.3CCD的電極結(jié)構(gòu)CCD電極的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)包括轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入單元結(jié)構(gòu)和信號(hào)檢測單元結(jié)構(gòu)。1、

三相CCD的電極結(jié)構(gòu)（1）三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)圖2-6采用“陰影腐蝕技術(shù)”的三相器件（a）第一層金屬腐蝕后（b）第二層金屬腐蝕后圖2-6所示的是三相單層金屬電極結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是工藝簡單且存儲(chǔ)密度較高。（2）三相電阻海結(jié)構(gòu)為解決成品率較低和電極間隙的裸露問題，引入了一種簡單的硅柵結(jié)構(gòu)。在氧化層上沉積一層高阻多晶硅，再對(duì)電極區(qū)域進(jìn)行選擇摻雜，形成如圖2-7所示的低阻區(qū)（轉(zhuǎn)移電極）被高阻區(qū)間隔的電阻海結(jié)構(gòu)。圖2-7三相CCD電阻海結(jié)構(gòu)（3）三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)圖2-8所示為三層多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-8三層多晶硅三相交疊結(jié)構(gòu)柵在單晶硅片上生長柵氧，接著淀積氧化硅和一層多晶硅，然后在多晶硅層刻出第一組電極。用熱氧化在電極表面形成一層氧化物，以便與接著淀積的第二層多晶硅絕緣。第二層用同樣方法刻出第二組電極后進(jìn)行氧化。重復(fù)上述工藝步驟，以形成第三層電極。2、二相CCD（1）二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)圖2-9所示的是二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)。圖2-9二相硅-鋁交疊結(jié)構(gòu)柵在這些電擊傷熱生長絕緣氧化物的過程中，沒有被多晶硅覆蓋的柵養(yǎng)區(qū)厚度也將增加。該結(jié)構(gòu)的第一層電極采用低阻多晶硅。(2)階梯狀氧化物結(jié)構(gòu)可用一次金屬化過程形成不對(duì)稱勢(shì)阱，制成二相CCD電極結(jié)構(gòu)。如圖2-10所示的兩種工藝都可以制成二相結(jié)構(gòu)。圖2-10具有階梯氧化物的二相結(jié)構(gòu)柵（a）第1種工藝結(jié)構(gòu)（b）第2種工藝結(jié)構(gòu)（3）注入勢(shì)壘二相結(jié)構(gòu)采用離子注入技術(shù)可以在電極下面不對(duì)稱位置上設(shè)置注入勢(shì)壘區(qū)，如圖2-11所示。圖2-11注入勢(shì)阱二相結(jié)構(gòu)與上述階梯狀氧化物結(jié)構(gòu)相比，離子注入技術(shù)容易制成較高的電勢(shì)臺(tái)階，而且如果注入的離子就集中在界面附近，勢(shì)壘高度受電極電勢(shì)的影響比較小。3、四相CCD圖2-12是三種四相CCD電極結(jié)構(gòu)。圖2-12(a)的結(jié)構(gòu)是在兩層金屬(例如鋁)制作的電極中間淀積100nm厚的二氧化硅（SiO2）做絕緣。圖2-12(b)所示的結(jié)構(gòu)與多晶硅-鋁交疊柵的結(jié)構(gòu)相類似，只是現(xiàn)在各電極下的絕緣層厚度是一樣的，各電極的面積都相同。圖2-12(c)所示的是采用兩層多晶硅電極結(jié)構(gòu)，采用兩層鋁電極的結(jié)構(gòu)可以用陽極氧化方法獲得SiO2絕緣層。圖2-12四相CCD電極結(jié)構(gòu)（a）兩層金屬中間淀積物（b）多晶硅-金屬交疊柵結(jié)構(gòu)（c）兩層鋁電極用氧化鋁絕緣圖2-13所示為四相器件在轉(zhuǎn)移過程中某一時(shí)刻的表面勢(shì)分布。四相器件的操作方式與三相、二相器件相比，較為適應(yīng)很高的時(shí)鐘頻率(例如100MHZ)，波形接近正弦波的驅(qū)動(dòng)脈沖。電荷在轉(zhuǎn)移過程中由于表面勢(shì)分布（如圖2-13）呈臺(tái)階狀，不會(huì)產(chǎn)生二相及三相轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)的“過沖現(xiàn)象”。圖2-13四相器件的表面勢(shì)分布4、體溝道CCD上述CCD中，信號(hào)電荷只在貼近界面的極薄襯底內(nèi)運(yùn)動(dòng)。界面陷阱產(chǎn)生束縛電子的能態(tài)，信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中將受到影響，影響工作速度和轉(zhuǎn)移效率。為此，在半導(dǎo)體體內(nèi)設(shè)置信號(hào)的轉(zhuǎn)移溝道。并將稱為體溝道或埋溝道CCD(BCCD)。其結(jié)構(gòu)的縱向剖面如圖2-14所示。圖2-14BCCD縱剖面圖當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，多數(shù)載流子被柵極電壓排斥，少數(shù)載流子則被收集到勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。光輸入方式可分為正面照射式與背面照射式。圖2.15所示為背面照射式光輸入的示意圖。2.4電荷的輸入和檢測2.4.1光輸入圖2-15背面照射式光注入光注入電荷：Qin=ηqNeoAtc式中，η為材料的量子效率；q為電子電荷量；

Neo為光子流速率；A為像元的受光面積；tc為光的輸入時(shí)間。正面既設(shè)置電極面背面既襯底面2.4.3電輸入1、電流輸入法如圖8-16（a）所示為電流輸入法結(jié)構(gòu)。（a）電流注入法2、電壓注入法如圖2-16(b)所示為電壓輸入法結(jié)構(gòu)。圖2-16電輸入結(jié)構(gòu)經(jīng)過了Tc時(shí)間輸入后，CR2下勢(shì)阱的信號(hào)電荷量為輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS的關(guān)系：

Qs=Iddt2.4.3電荷的檢測（輸出方式）圖2-17電荷檢測電路電流輸出方式的電路如圖2-17所示，它由檢測二極管、二極管的偏置電阻R、源極輸出放大器和復(fù)位場效應(yīng)管TR等單元構(gòu)成。最末電極輸出柵復(fù)位場效應(yīng)管A點(diǎn)電位形成信號(hào)思考題與習(xí)題2解題思路2.1題，復(fù)習(xí)2.1節(jié)內(nèi)容，重點(diǎn)放在勢(shì)阱與表面勢(shì)的概念與性質(zhì)，就可找到解此題的思路。2.2題，復(fù)習(xí)2.1節(jié)，重點(diǎn)放在P型硅與N型硅導(dǎo)電溝道和多數(shù)載流子與少數(shù)載流子的概念上，不難找到解題思路。2.3題，復(fù)習(xí)2.1節(jié)，認(rèn)真理解表面勢(shì)的物理意義和它與外加電壓的關(guān)系上，注重氧化層厚度對(duì)表面勢(shì)的影響。2.4題，復(fù)習(xí)2.1節(jié)，解此題的思路在于能夠分析外加電壓與氧化層厚度對(duì)表面勢(shì)的影響。2.5題，需要復(fù)習(xí)2.3節(jié)內(nèi)容，理解后會(huì)找到解此題的思路。2.6題，解此題的思路在于不同溝道中的載流子