CCD基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析及詳解

CCD基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

一、基本參數(shù) 

CCD的基本參數(shù)所涉及的因素很多，有些是相互牽連的，所以在這里不可能作詳細(xì)分析討論。下面僅簡(jiǎn)要地介紹一些參數(shù)的概念。CCD的主要性能參數(shù)有閥值電壓、電荷轉(zhuǎn)移效率、工作頻率范圍和負(fù)載量等。

（1）闕值電壓

其含意與MOS晶管相同。

（2）電荷轉(zhuǎn)移效率

電荷轉(zhuǎn)移效率是指信息電荷從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱時(shí)電荷轉(zhuǎn)移的百分?jǐn)?shù)。CCD MOS基本參數(shù)。這是決定CCD器件工作性能的一個(gè)基本參數(shù)。人們總是希望轉(zhuǎn)移效率越高越好。但正如從一個(gè)容器向另一個(gè)容器倒水不可能100%地倒過(guò)去一樣，電荷也不可能密無(wú)耗損地從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到另一個(gè)勢(shì)阱。電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損耗主要是由于表面陷阱效應(yīng)，都分電荷被陷阱所俘獲，致使轉(zhuǎn)移效率下降。如轉(zhuǎn)移效率低，就限制了電荷可以轉(zhuǎn)移的單元數(shù)目，從而限制了器件的分辨率。

（3）工作頻率范圍和動(dòng)態(tài)

MOS移位寄存器類(lèi)似，有低頻限和高頻限。工作頻率的上限，主要受電荷轉(zhuǎn)移效率所限制。因?yàn)楣ぷ黝l率越高，轉(zhuǎn)移效率就越低。同時(shí)還與CC D的位數(shù)有關(guān)，若位數(shù)多了，只有降低使用頻率，才能在輸出端得到一定的電荷，所以要提高工作頻率，首先要求CCD有較高的轉(zhuǎn)移效率。CCD工作效率的下限，由熱產(chǎn)生的過(guò)程所決定，也就是由載流子的壽命所決定。壽命越長(zhǎng)，電荷存貯的時(shí)間也越長(zhǎng)，所以工作頻率下限就可以越低。

普通三相CCD的工作頻率范圍約在千赫至兆赫之間。

（4）電荷負(fù)載量

電荷負(fù)載量是表明勢(shì)阱中能容納的自由電荷數(shù)量，它反映了輸出能力。電荷負(fù)最量與電極的面積、氧化層厚度、工作電壓等有關(guān)。電極面積越大，氧化層越薄，電極電壓越高，則電荷負(fù)載量也愈大。

二、改進(jìn)的CCD結(jié)構(gòu)介紹

（1）原CCD結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

三相CCD是最早發(fā)展的結(jié)構(gòu)，它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

采用較少的工藝步驟就能實(shí)現(xiàn)，但因有如下的缺點(diǎn)而不能實(shí)用。

①電極間隙 如電極間隙較寬，在電極間隙底下的傳輸溝道將形成勢(shì)金，嚴(yán)重阻礙了電荷的轉(zhuǎn)移。CCD MOS基本參數(shù)。因此希望電極間隙盡可能窄。一般要求小于3μm，這樣就要受到光刻工藝的限制。其次，電極間隙底下的勢(shì)全形成，還與氧化層中的電荷分布有關(guān)。這種電荷分布是目前工藝很難控制的。第三，電極間隙對(duì)外界的影響很靈敏，甚至人的呼吸也會(huì)改變電極間隙下面的勢(shì)能分布，從而使器件性能變化。而電極間隙處的薄氧化層往往暴露于空氣之中，受環(huán)境的影響較大，很容易受到沾污。

②電極引線交叉 為了保證信息電荷的定向運(yùn)動(dòng)，要求勢(shì)阱傾斜，因此必須采取三相時(shí)鐘脈沖，這會(huì)使電極引線產(chǎn)生交叉，不得不使用隧道引線，給布線帶來(lái)困難。

③轉(zhuǎn)移效率降低及工作頻率限制 由于信息電荷沿表面轉(zhuǎn)移過(guò)程中，要被表面陷阱俘獲，就會(huì)降低轉(zhuǎn)移效率，并限制工作頻率。

（2）CCD結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

為克服這些缺點(diǎn)，必須對(duì)CCD結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。下面介紹二種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。

①二相CCD 圖4-31所示為二相CCD結(jié)構(gòu)，它是一種雙層電極結(jié)構(gòu)，夾在SiO?中間的是多晶硅電極，上面是鋁電極，它們依次相隔排列，這種結(jié)構(gòu)可以采用二相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。采用二相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)，將相鄰的一對(duì)上下電極并聯(lián)。在圖4-31（a）中，下層電極在右邊，所以右邊的勢(shì)阱較深，電荷只能向右轉(zhuǎn)移。圖4-31（b）表示時(shí)鐘脈沖的電壓大于時(shí)的勢(shì)阱分布情況。

這樣改進(jìn)以后，由于使電極間距相當(dāng)于零，克服了基本CCD工藝中縮小電極間距的困難，使轉(zhuǎn)移效率大大提高；另外，勢(shì)阱從左至右是傾斜的，可使信息電荷向單一方向移動(dòng)。

從結(jié)構(gòu)布局來(lái)看，二相CCD比三相CCD簡(jiǎn)單得多。

②埋溝CCD 為了克服半導(dǎo)體界面態(tài)對(duì)CCD器件帶來(lái)的不良影響，使自由電荷的活動(dòng)區(qū)域遠(yuǎn)離表面，人們研制了埋溝CCD。CCD MOS基本參數(shù)。圖4-32為埋溝CCD的結(jié)構(gòu)原理。它是在P型基片上，用離子注入法或擴(kuò)散法引進(jìn)與襯底導(dǎo)電類(lèi)型相反的低濃度的N型雜質(zhì)層，并在N區(qū)兩邊制作高濃度的輸入和輸出N⁺區(qū)。工作時(shí)，輸出擴(kuò)散區(qū)接最高電位，使PN結(jié)處于反偏，同時(shí)使N區(qū)處于正電位。若控制柵為地電位，對(duì)N區(qū)來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于在控制極上加負(fù)電壓，使表面產(chǎn)生一定深度的耗盡層。另一方面，處于反偏的PN結(jié)又產(chǎn)生了第二個(gè)耗盡區(qū)。如果輸出擴(kuò)散極的電壓大到30~40V，兩邊的耗盡層就要相接。使電極下的N區(qū)都成為耗盡區(qū)。從表面到P型區(qū)體內(nèi)的電位分布大致如圖4-33中的曲線所示?？梢?jiàn)，在離Si-Si02界面2~3μm的地方，電位最高，即電子的勢(shì)能最低的地方不在界面，而是在體內(nèi)。這樣電子活動(dòng)的溝道就埋在體內(nèi)，避免了界面對(duì)自由電荷的影響。

如果提高轉(zhuǎn)移電極A的電位，則在距表面2~3μm處的電位升高，電子勢(shì)能更低，鄰近電極下的電荷便向A極下面的勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。這種器件的主要優(yōu)點(diǎn)是：由于電荷轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)離界面，可以減小界面態(tài)俘獲所引起的信號(hào)電荷的損失。由于載流子的體內(nèi)遷移率比表面遷移率高，而且溝道中有較大的漂移電場(chǎng)，電荷的轉(zhuǎn)移速度較快，所以轉(zhuǎn)移效率和工作頻率較高，最高工作頻率可達(dá)100MHz。這種埋溝CCD存貯器，在2~5MHz下轉(zhuǎn)移效率可達(dá)99.9999%。而前面所述表面CCD的最高工作頻率僅10MHz左右。它的主要缺點(diǎn)是由于勢(shì)阱比較淺，電荷負(fù)載能力較小。

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