mos電容器工作原理(已修改)
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【正文】 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD成像技術(shù)及其在遙感中的應(yīng)用 第二章 CCD工作原理 郝志航 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 內(nèi)容 ? CCD工作過程 ? 電荷的生成 ? 電荷的收集 ? 電荷包的轉(zhuǎn)移 ? 電荷包的測(cè)量 ? CCD與 CMOS比較 ? 小結(jié) 參考書 1 《 電荷耦合器件原理與應(yīng)用 》 王以銘 科學(xué)出版社 1987年 2 《 CCD Arrays Cameras and Displays》 Gerald C. Holst SPIE 1998 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD的工作過程 1 前照明光輸入 1 背照明光輸入 2 電荷生成 3 電荷收集 4 電荷轉(zhuǎn)移 5 電荷測(cè)量 視頻輸出 此圖摘自 James Janesick “Dueling Detectors” 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD的性能很大程度上是由電荷圖像的生成決定的 ， CCD電荷圖像的生成是 CCD工作最重要的過程之一 。 電荷的生成 CCD電荷圖像的 生成過程 就是光電轉(zhuǎn)換的過程； CCD電荷圖像的 生成機(jī)理 是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)； CCD電荷圖像的 生成理論 是固體物理的能帶理論。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)屬于金剛石晶格 :每個(gè)原子被四個(gè)最鄰近的原子所包圍 。 每個(gè)原子在外圍軌道有四個(gè)電子 ， 分別與周圍 4個(gè)原子共用 4對(duì)電子 。 這種共用電子對(duì)的結(jié)構(gòu)稱為 共價(jià)鍵 。 每個(gè)電子對(duì)組成一個(gè)共價(jià)鍵 ， 組成共價(jià)鍵的電子稱為 價(jià)電子 。 價(jià)電子 通常位于價(jià)帶 ， 不能導(dǎo)電 。 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 電荷的生成 能帶理論復(fù)習(xí) 能量增加 價(jià)帶 導(dǎo)帶 eV 硅的能級(jí)圖 共價(jià)鍵示意圖 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 通過加熱或光照，處于價(jià)帶的電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶。把電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量要超過價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能隙 Eg(硅的 Eg＝ ,砷化鎵的 Eg＝ )。 空穴 電子 電荷的生成 能帶理論復(fù)習(xí) 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 如果一個(gè)入射光子的能量 (Eph)大于或等于這種材料導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的能隙 (Eg)，就可以把一個(gè)電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為自由電子。用公式表示如下 : gph EE ??? hchE ph ??其中 h為普朗克常數(shù)，為頻率，為波長， c是光速。 21 22 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 光電效應(yīng)中有一個(gè)臨界波長（ ），定義為： 當(dāng) 時(shí)，光子沒有足夠的能量將電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶。這時(shí)光子只是穿過這個(gè)材料。對(duì)于本征 (intrinsic)硅有： ][)( meVEEhcggc ?? ??eVE g ? mc ?? ?c?? ?c?這是 CCD長波限制，短波如何？ 23 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 能帶理論復(fù)習(xí) 電子一旦被激發(fā)到導(dǎo)帶，它就可以在單晶硅的晶格附近自由運(yùn)動(dòng)了。 電子離開后所形成的空穴成為一個(gè)帶正電的載流子。 在沒有外電場的情況下，這樣的一對(duì)電子和空穴會(huì)在一定時(shí)間 (復(fù)合壽命 )內(nèi)將復(fù)合并湮滅。在 CCD中，利用一個(gè)電場把這些載流子收集起來，防止他們的復(fù)合。 如何收集電荷？ 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 有關(guān)參數(shù) 與 CCD電荷生成過程有關(guān)的參數(shù)是量子效率 (QE)和暗電流。 影響 QE的因素有吸收 (absorption)、反射 (reflection)和穿越 (transmission) 等。 影響暗電流的因素主要是溫度。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的生成 理想情況下，電極材料應(yīng)該是完全透明的，實(shí)際上這些材料對(duì)光都有一些吸收和反射。如多晶硅電極對(duì)短波光有較強(qiáng)的吸收和反射，減少了最終到達(dá)硅片的光子數(shù)量，如圖中 λ 1和λ 2所表示的情況。 x： 吸收 y ：復(fù)合 材料的吸收系數(shù)和反射率與波長有關(guān)，在可見光波段，波長越短吸收系數(shù)和反射率越大。 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7收 集 區(qū)硅 基 底電 極Xye e e 圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜！ CCD短波限制 與結(jié)構(gòu)及材料有關(guān) 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 厚型前照明 CCD 光在表面電極產(chǎn)生反射和吸收，使這種 CCD的量子效率比較低，對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)非常差。其電極結(jié)構(gòu)不容許采用提高性能的增透膜技術(shù)。增透膜技術(shù)在薄型背照明 CCD可以采用。 n型硅 p型硅 二氧化硅絕緣層 多晶硅電極 入射光子 625?m 電荷的生成 降低反射 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 硅片減薄到 15?m左右，光線由背面射入，避免了電極對(duì)光線的阻擋，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作減反膜，短波響應(yīng)將得到很大提高。 n型硅 p型硅 二氧化硅 多晶硅電極 減反 (AR)膜 Incoming photons 15?m 薄型背照明 CCD 電荷的生成 降低反射 薄型 CCD對(duì)近紅外光線幾乎透明，因此長波響應(yīng)很差。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 空氣或真空的
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