電荷耦合器件的基本結(jié)構(gòu)

1、6.2.1 ccd6.2.1 ccd的電極結(jié)構(gòu)：的電極結(jié)構(gòu)： ccd中電荷的存貯和傳輸是通過改變各電極上所加電壓實(shí)現(xiàn)的。按照加在電極上的脈沖電壓相數(shù)來分，電極的結(jié)構(gòu)可分為二相、三相、四相等結(jié)構(gòu)形式。 三相電阻海結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)二相硅二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)鋁交疊柵結(jié)構(gòu)四電極結(jié)構(gòu)：定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn) 在在ccd的的mos陣列陣列上劃分成以幾個(gè)相上劃分成以幾個(gè)相鄰鄰mos電荷為一單電荷為一單元的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)。元的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為每一單元稱為一位一位，將每將每位中對(duì)應(yīng)位位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分置上的電容柵極分別連到各自共同電別連到各自共同電極上，此共同電極極上，此共同電極稱相線。

2、稱相線。 一位一位ccd中含的電容個(gè)數(shù)即為中含的電容個(gè)數(shù)即為ccd的的相數(shù)相數(shù)。每相電極連接。每相電極連接的電容個(gè)數(shù)一般來說即為的電容個(gè)數(shù)一般來說即為ccd的位數(shù)。的位數(shù)。定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn) 通常通常ccd有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。12當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到ccd的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移。號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移。 t2-t3時(shí)刻，時(shí)刻，11電壓線性減電壓線性減小，小，1 1電極下勢(shì)阱變淺，電極下勢(shì)阱變淺，

3、 2為高電平，為高電平，2 2電極下形成深勢(shì)電極下形成深勢(shì)阱，信號(hào)電荷從阱，信號(hào)電荷從1 1電極向電極向2 2電極電極轉(zhuǎn)移，直到轉(zhuǎn)移，直到t3t3時(shí)刻，信號(hào)電荷時(shí)刻，信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)到全部轉(zhuǎn)到2 2電極下。電極下。重復(fù)上述過程，信息電荷從重復(fù)上述過程，信息電荷從2電極轉(zhuǎn)移到電極轉(zhuǎn)移到3電極，到電極，到t5時(shí)刻，時(shí)刻， 信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移到到3電極下。電極下。經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期，信號(hào)電經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期，信號(hào)電荷包向右轉(zhuǎn)移一級(jí)，荷包向右轉(zhuǎn)移一級(jí)，t6時(shí)刻時(shí)刻信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移4電極下。電極下。依次類推，信號(hào)電荷依次由依次類推，信號(hào)電荷依次由1，2，3，4.n向右轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)移直

4、至輸出移直至輸出移位寄存器移位寄存器mos上三個(gè)相鄰電極，每隔兩上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)個(gè)相位差相位差120時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。三相三相ccd中電荷包的轉(zhuǎn)移過程：中電荷包的轉(zhuǎn)移過程： .9 , 6 , 3.8 , 5 , 2.741321驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)t1時(shí)刻，時(shí)刻，11為高電平，為高電平， 2 3為低電平，為低電平，1電極下形成電極下形成深勢(shì)阱，儲(chǔ)存電荷形成電荷包深勢(shì)阱，儲(chǔ)存電荷形成電荷包 信號(hào)轉(zhuǎn)移部分由一串緊密排列的信號(hào)轉(zhuǎn)移部分由一串緊密排列的mosmos電容器構(gòu)成，根據(jù)電荷總是電容器構(gòu)成，根據(jù)電荷總是要向最小位能方向移動(dòng)的原理工作的。

5、信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，只要轉(zhuǎn)移要向最小位能方向移動(dòng)的原理工作的。信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，只要轉(zhuǎn)移前方電極上的電壓高，電極下的勢(shì)阱深，電荷就會(huì)不斷的向前運(yùn)動(dòng)。前方電極上的電壓高，電極下的勢(shì)阱深，電荷就會(huì)不斷的向前運(yùn)動(dòng)。右圖:三相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的ccd結(jié)構(gòu)和時(shí)鐘脈沖。由圖可見，在信號(hào)電荷包運(yùn)行的前方總有一個(gè)較深的勢(shì)阱處于等待狀態(tài)，于是電荷包便可沿著勢(shì)阱的移動(dòng)方向向前連續(xù)運(yùn)動(dòng)。此外，還有一種(如兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng))是利用電極不對(duì)稱方法來實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱分布不對(duì)稱，促使電荷包向前運(yùn)動(dòng)。勢(shì)阱中電荷的容量由勢(shì)阱的深淺決定，電荷在勢(shì)阱中存儲(chǔ)的時(shí)間，必須遠(yuǎn)小于勢(shì)阱的熱弛豫時(shí)間，所以ccd 是在非平衡狀態(tài)工作的一種功能器件。 6.2.2 轉(zhuǎn)移信

6、道的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移信道的結(jié)構(gòu) 1. sccd(表面ccd） 轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)信號(hào)電荷的勢(shì)阱都在硅與氧化硅的界面處，電荷速度與轉(zhuǎn)移效率低，主要原因?yàn)榭陀^表面態(tài)遷移率的影響。 即在硅與氧化硅表面有na 、k雜質(zhì)離子，表面態(tài)上的離子可以接收電子，也可以發(fā)射電子，當(dāng)電子至后續(xù)電荷包轉(zhuǎn)移時(shí)，表面態(tài)發(fā)射電子的速度慢，導(dǎo)致電子跟不上信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移速度，造成信號(hào)電荷的損失，所以轉(zhuǎn)移效率降低，轉(zhuǎn)移速度不能提高。 2.bccd（埋溝（埋溝ccd） 基底為基底為p型，在硅表面注入雜質(zhì)，使之形成型，在硅表面注入雜質(zhì)，使之形成n型薄層，型薄層，在在n型兩端做上型兩端做上n+層，起源極與漏極的作用。在層，起源極與漏極的作用。在np之

7、之間加反偏電壓，使形成體內(nèi)耗盡層，當(dāng)與氧化層耗盡層相間加反偏電壓，使形成體內(nèi)耗盡層，當(dāng)與氧化層耗盡層相連通時(shí)，形成勢(shì)阱。當(dāng)電子向勢(shì)阱中聚焦時(shí)，耗盡層寬度連通時(shí)，形成勢(shì)阱。當(dāng)電子向勢(shì)阱中聚焦時(shí)，耗盡層寬度減小，同樣可以存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷，如果施以柵極電壓，勢(shì)減小，同樣可以存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷，如果施以柵極電壓，勢(shì)能曲線下降，能曲線下降，p區(qū)耗盡層加寬，勢(shì)能曲線下降，勢(shì)阱加深，區(qū)耗盡層加寬，勢(shì)能曲線下降，勢(shì)阱加深，可以通過控制柵極達(dá)到電荷耦合?？梢酝ㄟ^控制柵極達(dá)到電荷耦合。 bccd與與sccd的區(qū)別的區(qū)別 （1）bccd中傳遞信息是電子是n層中的多子，sccd是p層中的少子 （2）sccd中的信息電荷集中

8、在界面處很薄的反型層中，而bccd的信息電荷集中在體內(nèi)。 （3）bccd轉(zhuǎn)移電荷損失比sccd小12個(gè)數(shù)量級(jí)，具有更好的轉(zhuǎn)移效率。 （4）bccd轉(zhuǎn)移速度高。 （5）bccd最大的優(yōu)點(diǎn)是低噪聲，主要原因是它消除了信號(hào)電子與表面態(tài)的相互作用。6.3.3通道的橫向限制 如果電極間距較大，勢(shì)阱的形狀會(huì)發(fā)生彎曲，會(huì)使信號(hào)電荷露出，或使外電荷漏入，為了克服這一現(xiàn)象，在橫向上，對(duì)勢(shì)阱的范圍進(jìn)行限制，方法是形成一個(gè)高勢(shì)能的位壘，將溝道與溝道之間隔開。主要的方法：主要的方法： 1.加屏蔽電場(chǎng)加屏蔽電場(chǎng) 2.氧化層臺(tái)階法氧化層臺(tái)階法 3.溝阻擴(kuò)散法溝阻擴(kuò)散法 1.加屏蔽電場(chǎng)加屏蔽電場(chǎng) 在屏蔽電極上加與柵極極性相

9、反的電壓，從而形成感在屏蔽電極上加與柵極極性相反的電壓，從而形成感應(yīng)電場(chǎng)，以吸收多子，造成多子在耗盡層內(nèi)橫向邊界上的應(yīng)電場(chǎng)，以吸收多子，造成多子在耗盡層內(nèi)橫向邊界上的堆積，以限制耗盡層區(qū)的橫向擴(kuò)展。堆積，以限制耗盡層區(qū)的橫向擴(kuò)展。 2.氧化層臺(tái)階法氧化層臺(tái)階法 使耗盡層以外的氧化層加厚，保證它下面的半導(dǎo)體不使耗盡層以外的氧化層加厚，保證它下面的半導(dǎo)體不會(huì)深耗盡，以起限制作用，氧化層越厚會(huì)深耗盡，以起限制作用，氧化層越厚 ，則位能越淺。，則位能越淺。 3.溝阻擴(kuò)散法溝阻擴(kuò)散法 在同一柵極下，局部摻雜濃度不同，表面勢(shì)不同，摻在同一柵極下，局部摻雜濃度不同，表面勢(shì)不同，摻雜濃度越高，勢(shì)阱越低，采用離

10、子注入技術(shù)，使轉(zhuǎn)移電極雜濃度越高，勢(shì)阱越低，采用離子注入技術(shù)，使轉(zhuǎn)移電極沿襯底濃度高于別處，形成沿襯底濃度高于別處，形成p+層，而且濃度變化要很陡層，而且濃度變化要很陡峭，從而可以有力的限制溝道的寬度。峭，從而可以有力的限制溝道的寬度。6.2.4 6.2.4 電荷的輸入結(jié)構(gòu)電荷的輸入結(jié)構(gòu) 光注入光注入：正面和背面光照式qin=qneoatc式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； neo為入射光的光子流速率；a為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時(shí)間。 ccd工作過程分三部分:信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移和信號(hào)輸出部分。 輸入部分輸入部分的作用是將信號(hào)電荷引入到ccd的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中。引入的方式

11、有兩種：光注入和電注入。 在濾波、延遲線和存儲(chǔ)器應(yīng)用情況攝像應(yīng)用 電注入電注入機(jī)構(gòu)由一個(gè)輸入二極管和一個(gè)或幾個(gè)輸入柵構(gòu)成，它可以將信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為勢(shì)阱中等效的電荷包。 輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷海谄湎旅姘雽?dǎo)體表面形成一個(gè)耗盡層。如果這時(shí)在緊靠輸入柵的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上施以更高的電壓，則在它下面便形成一個(gè)更深的耗盡層。這個(gè)耗盡層就相當(dāng)于一個(gè)“通道”，受輸入信號(hào)調(diào)制的電荷包就會(huì)從輸入二極管經(jīng)過“通道”流人第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成輸入過程。電注入方法主要有：電注入方法主要有： 1.動(dòng)態(tài)電流積分法 2.二極管截止法 3.電位平衡法基本的指導(dǎo)思想：基本的指導(dǎo)思想：一、要保證電荷包大小同輸入的電壓成正比二、要保

12、證表面勢(shì)的大小同輸入電壓成正比。輸入二極管加電位脈沖輸入二極管加電位脈沖ud，輸入柵極，輸入柵極g1加恒定電壓加恒定電壓ucon，g2上加輸入信號(hào)的電壓上加輸入信號(hào)的電壓 ，ud低電位時(shí)，稱為采樣，這時(shí)勢(shì)阱被電子注滿低電位時(shí)，稱為采樣，這時(shí)勢(shì)阱被電子注滿ud變?yōu)楦唠娢?，即處于?qiáng)反偏狀態(tài)，這時(shí)變?yōu)楦唠娢唬刺幱趶?qiáng)反偏狀態(tài)，這時(shí)g2下的多余電荷向下的多余電荷向二極管區(qū)倒流，直到二極管區(qū)倒流，直到g2下的表面勢(shì)與下的表面勢(shì)與g1下的表面勢(shì)達(dá)到平衡。下的表面勢(shì)達(dá)到平衡。2121/201/21021(2)(2)()ggssoxgsssgssoxggvvvqcuvu vvuu vqcuu 由于由于ug1上

13、的電壓是固定的，轉(zhuǎn)移的電荷與與信上的電壓是固定的，轉(zhuǎn)移的電荷與與信號(hào)的電壓成正比，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖過來之后，這些電號(hào)的電壓成正比，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖過來之后，這些電荷會(huì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。荷會(huì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。 電位平衡法的優(yōu)點(diǎn)：電位平衡法的優(yōu)點(diǎn)： 電位平衡法不僅線性好，有信噪比，而且信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中，不會(huì)因?yàn)榻缑鎽B(tài)及電荷轉(zhuǎn)移不完全而使信號(hào)失真。電位平衡法消除了柵注入法所帶來的隨機(jī)噪聲，它是目前表面ccd作為模擬信號(hào)處理較理想的方法。6.2.5 6.2.5 輸出部分輸出部分 輸出部分由輸出二極管、輸出柵和輸出耦合電路組成，作用是將ccd最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷引出。 最簡(jiǎn)單的輸出電路是通過二極管檢出，輸出柵采用直流偏置。這種電路簡(jiǎn)單，但是噪聲較大，很少采用。 浮置擴(kuò)散放大器(fda)的讀出方法是一種最常用的ccd電荷輸出方法。它包括兩個(gè)mosfet，并兼有輸出檢測(cè)和前置放大的作用，它