CCD MOS基本参数及结构改进分析及详解

信息来源: 时间:2020-11-18

CCD基本参数及结构改进分析及详解

CCD基本参数及结构改进


一、基本参数 


CCD的基本参数所涉及的因素很多,有些是相互牵连的,所以在这里不可能作详细分析讨论。下面仅简要地介绍一些参数的概念。CCD的主要性能参数有阀值电压、电荷转移效率、工作频率范围和负载量等。

(1)阙值电压

其含意与MOS晶管相同。


(2)电荷转移效率


电荷转移效率是指信息电荷从一个势阱转移到下一个势阱时电荷转移的百分数。CCD MOS基本参数。这是决定CCD器件工作性能的一个基本参数。人们总是希望转移效率越高越好。但正如从一个容器向另一个容器倒水不可能100%地倒过去一样,电荷也不可能密无耗损地从一个势阱转移到另一个势阱。电荷转移过程中的损耗主要是由于表面陷阱效应,都分电荷被陷阱所俘获,致使转移效率下降。如转移效率低,就限制了电荷可以转移的单元数目,从而限制了器件的分辨率。


(3)工作频率范围和动态


MOS移位寄存器类似,有低频限和高频限。工作频率的上限,主要受电荷转移效率所限制。因为工作频率越高,转移效率就越低。同时还与CC D的位数有关,若位数多了,只有降低使用频率,才能在输出端得到一定的电荷,所以要提高工作频率,首先要求CCD有较高的转移效率。CCD工作效率的下限,由热产生的过程所决定,也就是由载流子的寿命所决定。寿命越长,电荷存贮的时间也越长,所以工作频率下限就可以越低。

普通三相CCD的工作频率范围约在千赫至兆赫之间。


(4)电荷负载量


电荷负载量是表明势阱中能容纳的自由电荷数量,它反映了输出能力。电荷负最量与电极的面积、氧化层厚度、工作电压等有关。电极面积越大,氧化层越薄,电极电压越高,则电荷负载量也愈大。


二、改进的CCD结构介绍

(1)原CCD结构的缺点


三相CCD是最早发展的结构,它的最大特点是结构简单。

采用较少的工艺步骤就能实现,但因有如下的缺点而不能实用。


①电极间隙 如电极间隙较宽,在电极间隙底下的传输沟道将形成势金,严重阻碍了电荷的转移。CCD MOS基本参数。因此希望电极间隙尽可能窄。一般要求小于3μm,这样就要受到光刻工艺的限制。其次,电极间隙底下的势全形成,还与氧化层中的电荷分布有关。这种电荷分布是目前工艺很难控制的。第三,电极间隙对外界的影响很灵敏,甚至人的呼吸也会改变电极间隙下面的势能分布,从而使器件性能变化。而电极间隙处的薄氧化层往往暴露于空气之中,受环境的影响较大,很容易受到沾污。


②电极引线交叉 为了保证信息电荷的定向运动,要求势阱倾斜,因此必须采取三相时钟脉冲,这会使电极引线产生交叉,不得不使用隧道引线,给布线带来困难。


③转移效率降低及工作频率限制 由于信息电荷沿表面转移过程中,要被表面陷阱俘获,就会降低转移效率,并限制工作频率。

(2)CCD结构的改进

为克服这些缺点,必须对CCD结构进行改进。下面介绍二种改进的结构。


①二相CCD 图4-31所示为二相CCD结构,它是一种双层电极结构,夹在SiO₂中间的是多晶硅电极,上面是铝电极,它们依次相隔排列,这种结构可以采用二相时钟驱动。采用二相时钟驱动时,将相邻的一对上下电极并联。在图4-31(a)中,下层电极在右边,所以右边的势阱较深,电荷只能向右转移。图4-31(b)表示时钟脉冲image.png的电压大于image.png时的势阱分布情况。


CCD MOS基本参数


这样改进以后,由于使电极间距相当于零,克服了基本CCD工艺中缩小电极间距的困难,使转移效率大大提高;另外,势阱从左至右是倾斜的,可使信息电荷向单一方向移动。


从结构布局来看,二相CCD比三相CCD简单得多。


②埋沟CCD 为了克服半导体界面态对CCD器件带来的不良影响,使自由电荷的活动区域远离表面,人们研制了埋沟CCD。CCD MOS基本参数。图4-32为埋沟CCD的结构原理。它是在P型基片上,用离子注入法或扩散法引进与衬底导电类型相反的低浓度的N型杂质层,并在N区两边制作高浓度的输入和输出N+区。工作时,输出扩散区接最高电位,使PN结处于反偏,同时使N区处于正电位。若控制栅为地电位,对N区来说就相当于在控制极上加负电压,使表面产生一定深度的耗尽层。另一方面,处于反偏的PN结又产生了第二个耗尽区。如果输出扩散极的电压大到30~40V,两边的耗尽层就要相接。使电极下的N区都成为耗尽区。从表面到P型区体内的电位分布大致如图4-33中的曲线所示。可见,在离Si-Si02界面2~3μm的地方,电位最高,即电子的势能最低的地方不在界面,而是在体内。这样电子活动的沟道就埋在体内,避免了界面对自由电荷的影响。


CCD MOS基本参数


如果提高转移电极A的电位,则在距表面2~3μm处的电位升高,电子势能更低,邻近电极下的电荷便向A极下面的势阱转移。这种器件的主要优点是:由于电荷转移远离界面,可以减小界面态俘获所引起的信号电荷的损失。由于载流子的体内迁移率比表面迁移率高,而且沟道中有较大的漂移电场,电荷的转移速度较快,所以转移效率和工作频率较高,最高工作频率可达100MHz。这种埋沟CCD存贮器,在2~5MHz下转移效率image.png可达99.9999%。而前面所述表面CCD的最高工作频率仅10MHz左右。它的主要缺点是由于势阱比较浅,电荷负载能力较小。


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