【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 成一個(gè) n型區(qū) (~1μm厚 )； 然后，生長(zhǎng)出一層薄的二氧化硅 (~ )；再在二氧化硅層上用金屬或高摻雜的多晶硅制作電極或柵極；至此完成了 MOS電容的制作。 ???? qE p電子的勢(shì)能： q 是電子的電荷量，而 ?為靜電勢(shì) 26 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 無偏置時(shí) ， n型層內(nèi)含有多余的電子向 p型層擴(kuò)散， p型層內(nèi)含有多余的空穴并向 n型層擴(kuò)散； 這個(gè)結(jié)構(gòu)與二極管結(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同。上述的擴(kuò)散產(chǎn)生了內(nèi)部電場(chǎng)，在 n型層內(nèi)電勢(shì)達(dá)到最大。 n p 沿此線的電勢(shì)示于上圖 . 電勢(shì) CCD厚度方向的截面圖 這種‘埋溝’結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能使光生電荷離開CCD 表面，因?yàn)樵?CCD表面缺欠多，光生電荷會(huì)被俘獲。這種結(jié)構(gòu)還可以降低熱噪聲（暗電流）。 電荷的收集 MOS 電容器 電子勢(shì)能最小的地方位于 n型區(qū)內(nèi)并與硅 二氧化硅 (Si SiO 2) 的交界面有一定距離 這個(gè)勢(shì)能最小 (或電位最高 ) 的地方就是多余電子聚集的地方。 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD曝光時(shí)，每個(gè)像元有一個(gè)電極處于高電位 。硅片中這個(gè)電極下的電勢(shì)將增大，成為光電子收集的地方，稱為 勢(shì)阱 。其附近的電極處于低電位，形成了 勢(shì)壘 ，并確定了這個(gè)像元的邊界。像元水平方向上的邊界由溝阻確定。 電荷的收集 MOS 電容器 電勢(shì) 電勢(shì) 勢(shì)能 勢(shì)能 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 CCD曝光時(shí)，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢(shì)阱里收集。隨著電荷的增加，電勢(shì)將逐漸變低，勢(shì)阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達(dá)到飽和。 勢(shì)阱能容納的最多電荷稱為 滿阱電荷數(shù) 。 n p 電勢(shì) 最大電勢(shì)區(qū) 電荷的收集 MOS 電容器 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 實(shí)際的埋溝結(jié)構(gòu) 埋溝結(jié)構(gòu)的兩邊各有一個(gè)比較厚 (~)的場(chǎng)氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的 p型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢(shì)對(duì)柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢(shì)壘。 電荷的收集 MOS 電容器 柵極 N型埋溝 場(chǎng)氧化物 溝阻 P型襯底 耗盡區(qū) 信號(hào)電荷 氧化物 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 埋溝結(jié)構(gòu)的 MOS電容的主要特點(diǎn)是： ?能在單一電極之下的一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勢(shì)阱； ?能調(diào)整或控制柵極下面的勢(shì)能； ?儲(chǔ)存電荷的位置 (勢(shì)能最小處 )離 Si Si02 交界面有一定的距離； ?低的暗電流使其能夠長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存信號(hào)電荷 (取決于工作條件可以從數(shù)十秒到數(shù)小時(shí) )； ?所收集的電荷可以通過光照、電注入等產(chǎn)生； ?能快速地將電荷從一個(gè)電極之下的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到下一個(gè)鄰近的電極下面，而且損失非常低。 電荷的收集 MOS 電容器 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 像元邊界 電荷包 p型硅 n型硅 SiO2 絕緣層 電極結(jié)構(gòu) 像元邊界 入射的光子 光子入射到 CCD中產(chǎn)生電子空穴對(duì)， 電子向器件中電勢(shì)最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個(gè)電荷包對(duì)應(yīng)一個(gè)像元。 電荷的收集 電荷收集的效率與電勢(shì)的分布、復(fù)合壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān)。 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的收集 復(fù)合壽命 由光子激發(fā)出的電子在重新躍遷回價(jià)帶 (與空穴復(fù)合 )之前可以在硅晶格內(nèi)活動(dòng)的時(shí)間是有限的。這個(gè)過程的時(shí)間常數(shù)稱為復(fù)合壽命，其大小取決于硅的質(zhì)量和摻雜的濃度。越長(zhǎng)，信號(hào)電子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的收集 擴(kuò)散長(zhǎng)度 為了使 CCD中電子能夠通過擴(kuò)散和漂移到達(dá)指定的收集區(qū)，可以通過特定的摻雜分布和電場(chǎng)分布設(shè)計(jì)來達(dá)到。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果將提高探測(cè)器的量子效率。 擴(kuò)散長(zhǎng)度表示光生電子復(fù)合前移動(dòng)的平均距離。當(dāng)電子是在復(fù)合壽命很長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)生成，但是它必須移動(dòng)到 指定的收集區(qū) 去時(shí)，這個(gè)電子是否能夠被收集取決于它向制定區(qū)域運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的轉(zhuǎn)移 CCD工作過程的第三步是電荷包的轉(zhuǎn)移，是將所收集起來的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 下面通過類比說明 CCD 收集、轉(zhuǎn)移和測(cè)量電荷的過程。 小盆 虹吸泵 雨水量筒 CCD的工作過程類比說明 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 每個(gè)小盆接到的 雨水?dāng)?shù)量不同 類比中，雨滴表示光子； 收集的雨水表示 CCD探測(cè)的電荷 。 小盆表示像元，小盆的深度表示每個(gè)像元可以容納多少電荷； 虹吸泵表示 CCD的移位寄存器； 雨水量筒表示 CCD的輸出放大器。 CCD的工作過程類比說明 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 先將雨水向左移動(dòng) 首先，最左邊一行接雨水的小盆將所接的雨水通過虹吸泵轉(zhuǎn)移到與雨水量筒排成一排的一行小盆（讀出寄存器 )中。 為了測(cè)量 每個(gè)小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵將每個(gè)小盆中的雨水向雨水量筒轉(zhuǎn)移。 CCD的工作過程類比說明 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 倒空量筒 ? 然后將最靠近量筒小盆中的雨水通過虹吸泵導(dǎo)入量筒中測(cè)量它的數(shù)量。 ? 每次測(cè)量完成以后，都要將量筒倒空，準(zhǔn)備下一次測(cè)量。 圖示的狀態(tài)是一次測(cè)量后的狀態(tài)。 CCD的工作過程類比說明 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 又一次測(cè)量結(jié)束。 倒