CCD基本參數及結構改進分析及詳解

CCD基本參數及結構改進

一、基本參數 

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

（1）闕值電壓

其含意與MOS晶管相同。

（2）電荷轉移效率

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

（3）工作頻率范圍和動態

MOS移位寄存器類似，有低頻限和高頻限。工作頻率的上限，主要受電荷轉移效率所限制。因為工作頻率越高，轉移效率就越低。同時還與CC D的位數有關，若位數多了，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有較高的轉移效率。CCD工作效率的下限，由熱產生的過程所決定，也就是由載流子的壽命所決定。壽命越長，電荷存貯的時間也越長，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）電荷負載量

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

二、改進的CCD結構介紹

（1）原CCD結構的缺點

三相CCD是最早發展的結構，它的最大特點是結構簡單。

采用較少的工藝步驟就能實現，但因有如下的缺點而不能實用。

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金，嚴重阻礙了電荷的轉移。CCD MOS基本參數。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，電極間隙底下的勢全形成，還與氧化層中的電荷分布有關。這種電荷分布是目前工藝很難控制的。第三，電極間隙對外界的影響很靈敏，甚至人的呼吸也會改變電極間隙下面的勢能分布，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動，要求勢阱傾斜，因此必須采取三相時鐘脈沖，這會使電極引線產生交叉，不得不使用隧道引線，給布線帶來困難。

③轉移效率降低及工作頻率限制 由于信息電荷沿表面轉移過程中，要被表面陷阱俘獲，就會降低轉移效率，并限制工作頻率。

（2）CCD結構的改進

為克服這些缺點，必須對CCD結構進行改進。下面介紹二種改進的結構。

①二相CCD 圖4-31所示為二相CCD結構，它是一種雙層電極結構，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，這種結構可以采用二相時鐘驅動。采用二相時鐘驅動時，將相鄰的一對上下電極并聯。在圖4-31（a）中，下層電極在右邊，所以右邊的勢阱較深，電荷只能向右轉移。圖4-31（b）表示時鐘脈沖的電壓大于時的勢阱分布情況。

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

從結構布局來看，二相CCD比三相CCD簡單得多。

②埋溝CCD 為了克服半導體界面態對CCD器件帶來的不良影響，使自由電荷的活動區域遠離表面，人們研制了埋溝CCD。CCD MOS基本參數。圖4-32為埋溝CCD的結構原理。它是在P型基片上，用離子注入法或擴散法引進與襯底導電類型相反的低濃度的N型雜質層，并在N區兩邊制作高濃度的輸入和輸出N⁺區。工作時，輸出擴散區接最高電位，使PN結處于反偏，同時使N區處于正電位。若控制柵為地電位，對N區來說就相當于在控制極上加負電壓，使表面產生一定深度的耗盡層。另一方面，處于反偏的PN結又產生了第二個耗盡區。如果輸出擴散極的電壓大到30~40V，兩邊的耗盡層就要相接。使電極下的N區都成為耗盡區。從表面到P型區體內的電位分布大致如圖4-33中的曲線所示?？梢?，在離Si-Si02界面2~3μm的地方，電位最高，即電子的勢能最低的地方不在界面，而是在體內。這樣電子活動的溝道就埋在體內，避免了界面對自由電荷的影響。

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

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