文档介绍：第八章固体成像器件
第一节电荷耦合器件的工作原理
两种基本类型
表面沟道电荷耦合器件(SCCD)
体内沟道电荷耦合器件(BCCD)
电荷耦合器件: Charge Coupled Device (CCD)
D的MOS结构特性
CCD是由按一定规律排列的MIS(金属—绝缘体—半导体)电容列阵组成。D,绝缘体是硅的氧化物,常用名称为MOS结构。
金属
SiO2
P-Si
N沟
金属
SiO2
N-Si
P沟
栅极:金属 Si—透光多晶硅薄膜
电介质:绝缘体 Si—SiO2
衬底:半导体 P—Si N沟道
N—Si P沟道
1、MOS电容的热平衡特性(以P-Si为例)
1)理想状态
金属
SiO2
P-Si
Ec
Ei
Ef
Ev
W:积累层厚度
2)界面上及氧化层内总的有效电荷为负电荷
金属
SiO2
P-Si
积累层
Ec
Ei
Ef
Ev
电子能带图
3)界面上及氧化层内总的有效电荷为正电荷
金属
SiO2
P-Si
耗尽层
Ec
Ei
Ef
Ev
W:耗尽层厚度
4)界面上及氧化层内总的正电荷密度很高(常需外加电压才能实现)
Ec
Ei
Ef
Ev
W:反型层厚度
反型层
金属
SiO2
P-Si
表面势(Vs):以体内的Ei为零势点,表面上Eis相对于体内Ei的势称为表面势。
能带向上弯曲,Eis>Ei,Vs<0,表面势为负;
能带向下弯曲, Eis<Ei,Vs>0,表面势为正。
对于电子而言,能带向下弯曲程度大,
Vs大,对应电子深势阱
Vs小,对应电子浅势阱
平带电压(VFB):实际界面有正电荷,氧化物中有可移动的电荷,能带向下弯曲,使能带变平所需电压称平带电压。
热平衡时,有VFB=-Vs
若界面上及氧化层内总的有效电荷为负电荷,能带向上弯曲,Vs<0, VFB>0;
若界面上及氧化层内总的有效电荷为正电荷,能带向下弯曲, Vs>0, VFB<0 。
阈值电压(Vth):当外加电压继续增大到某一值,界面下电子的浓度等于衬底的空穴浓度,这时称为强反型层,此时对应的外加电压值为阈值电压。
半导体表面和绝缘层中都有可能有电荷存在,不同位置的电荷对表面层载流子运动有不同的作用
1)快态:半导体与绝缘体的界面有许多局域电子态,可作为载流子的复合中心,由于它们近表面层,与表面电子的交往很快,称为快态。
2)慢态:绝缘层中或绝缘层与金属界面也有可能有许多局域电子态,也可能作为载流子的复合中心,但它们与表面层距离较大,与表面层中的载流子交往很慢,成为慢态。
3)活动电荷:绝缘层中可存在一些活动的离子,会在外加电场下向半导体-绝缘体或绝缘体-金属界面移动
2、MOS电容的非平衡特性(以p型Si为例)
D存储电荷、转移电荷的基础
金属
SiO2
P-Si
VG
电子势阱
2)外加电压(VG)与表面势(VS)的关系
其中NA为受主浓度, Cox为氧化层电容, 为硅介电常数, 为真空介电常数,q为电子电荷量
可以看出:势阱的深浅和三因素有关
1)栅极电压VG
VG 越大,VS 越大,对应深势阱;VG 越小,VS 越小,对应浅势阱
2)掺杂浓度NA
NA 越大,VS 越小,对应浅势阱; NA 越小,VS 越大,对应深势阱
3)氧化层厚度d
d 越大,VS 越小,对应浅势阱; d 越小,VS 越大,对应深势阱
若势阱中填入信号电荷Qs,则
表明:在VG一定的情况下,势阱深度随填入信号电荷线形下降