【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 間（約 1012秒）內(nèi)，電極上即會(huì)感應(yīng)生成電荷，這時(shí) P型半導(dǎo)體的多子（空穴）能跟得上這個(gè)變化，被電場(chǎng)驅(qū)向半導(dǎo)體體內(nèi)，使界面處的半導(dǎo)體表層中留下了數(shù)量與被趕走的空穴相等的負(fù)的受主離子，而少子（電子）在介電馳豫時(shí)間內(nèi)沒(méi)有變化。 因此半導(dǎo)體在界面附近的彎曲變得很深，在近界面形成了一個(gè)強(qiáng)反型層。但由于這時(shí)候還沒(méi)有產(chǎn)生電子，該強(qiáng)反型層實(shí)際上是一個(gè)電子勢(shì)阱。而且這是一個(gè)非平衡狀態(tài)。 ? 隨后，界面和半導(dǎo)體體內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，其中空穴被電場(chǎng)趕入半導(dǎo)體體內(nèi)，電子則在電場(chǎng)作用下進(jìn)入勢(shì)阱。使該處的能帶抬高，最后恢復(fù)到熱平衡狀態(tài) 。 ? 從非平衡的建立至達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間（也就是熱激發(fā)所產(chǎn)生的電子填滿勢(shì)阱所需的時(shí)間）稱為存儲(chǔ)時(shí)間 T（ 幾秒到幾十秒）。 ? CCD主要的工作基礎(chǔ)就是非平衡狀態(tài)。 在這個(gè)狀態(tài)下，勢(shì)阱可用來(lái)儲(chǔ)留信號(hào)，也可以用來(lái)使信號(hào)電荷從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到相鄰的另一個(gè)勢(shì)阱 。 ? CCD主要包括三個(gè)部分： (1)信號(hào)輸入?yún)^(qū)； (2)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移區(qū)； (3)信號(hào)輸出區(qū)（ 見(jiàn)圖 ） 。 信號(hào)輸入分兩種方式：電注入和光注入 。 電注入輸入?yún)^(qū)由一個(gè)輸入二極管和一個(gè)或幾個(gè)輸入柵 （ MOS電容的金屬層 ） 構(gòu)成 。 該單元通過(guò)對(duì)輸入柵施加適當(dāng)電壓在絕緣體 /半導(dǎo)體界面的半導(dǎo)體表面形成作為輸入信號(hào)通道的耗盡層 ， 圖 CCD芯片結(jié)構(gòu)示意圖 輸入信號(hào)電荷可從輸入二極管通過(guò)該通道進(jìn)入信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移部分。信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移區(qū)由一連串緊密排列的 MOS電容器構(gòu)成，通過(guò)對(duì)各轉(zhuǎn)移柵（各 MOS電容器的金屬層）施加大小不同的電壓，使轉(zhuǎn)移前方轉(zhuǎn)移柵電極下的勢(shì)阱深度越來(lái)越深，信號(hào)電荷就會(huì)不斷地向前運(yùn)動(dòng)。施加在緊靠輸入柵的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上的電壓高于施加在輸入柵上的電壓，故第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵電極下的勢(shì)阱比輸入柵電極下的勢(shì)阱深，在輸入柵下耗盡層的電荷因此即可進(jìn)入第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵電極下的勢(shì)阱，然后沿著轉(zhuǎn)移區(qū)越來(lái)越深的勢(shì)阱通道向輸出部分轉(zhuǎn)移。信號(hào)輸出區(qū)則由浮置擴(kuò)散放大器(FDA)和輸出柵等組成。來(lái)自最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的電荷，通過(guò)輸出柵下的勢(shì)阱通道，到達(dá) FDA， FDA能將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大后輸出。 ? 用于攝像的 CCD必須采用光注入方式。 光注入時(shí)輸入二極管被光敏元件（例如光電導(dǎo)體、 MOS電容器、 pn結(jié)光電二極管或肖特基勢(shì)壘光電二極管等）取代。 攝像時(shí)光照射到光敏元件的光敏面上，光敏材料（參見(jiàn) 光學(xué)傳感材料）吸收光子后產(chǎn)生電子 空穴對(duì)。多子（空穴）被驅(qū)出耗盡區(qū)后，通過(guò)襯底接地而消失，少子（電子）則被勢(shì)阱收集成為信號(hào)電荷。實(shí)際的 CCD攝像器件的光敏區(qū)都是由光敏元面陣構(gòu)成的。 ? 按光譜分類， CCD可分為可見(jiàn)光 CCD、 紅外 CCD、 X射線 CCD和紫外光 CCD等?？梢?jiàn)光 CCD還可細(xì)分為黑白 CCD、 彩色 CCD和微光 CCD三類。 彩色 CCD攝像機(jī) 按照所用CCD的片數(shù)分為三片式、二片式和單片式三種。根據(jù) CCD片數(shù)的多少，采用分光系統(tǒng)和濾色膜將所攝景物照射到 CCD上。 微光（夜視） CCD則是在微光攝影系統(tǒng)的物鏡與目鏡之間放置 增強(qiáng)型 CCD（ ICCD） 或 時(shí)間延遲積分型 CDD(TDI CCD)。 ? ICCD有兩種工作方式，一種是采用 GaAs等 IIIV族半導(dǎo)體材料構(gòu)成的光電陰極增強(qiáng)信號(hào)，然后用光導(dǎo)纖維束錐將增強(qiáng)信號(hào)耦合到 CCD的光敏面上；另一種是將 CCD攝像器件集成到攝像管的真空中作為攝像器的陽(yáng)極，當(dāng)入射光子被打到光電陰極上后變成光電子，光電子被加速并聚焦在面陣 CCD芯片上。 ? TDI CCD則適于在低溫下工作，它利用增加光積分時(shí)間來(lái)提高信號(hào)的載噪比。 ? 紅外 CCD則是用前一節(jié)所述的紅外焦平面陣列 (IRFPA)取代可見(jiàn)光 CCD的光敏元部分后構(gòu)成的。 ? X射線 CCD有兩種 ，一種是直接用微光 CCD攝取軟 X射線目標(biāo)圖像；另一種采用帶隔離層的碘化銫晶體高效轉(zhuǎn)換材料，因?yàn)榈饣C晶體幾乎能把照射到的 X射線全部吸收并轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光。 ? 紫外 CCD的研究進(jìn)展較慢，主要原因是紫外輻射會(huì)與半導(dǎo)體工藝使用的一些材料發(fā)生相互作用（例如僅幾十納米厚的 SiO2就會(huì)強(qiáng)烈吸收紫外輻射等）。目前主要采取用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料將紫外輻射轉(zhuǎn)換成較長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光的方法等來(lái)解決這一問(wèn)題。這類波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料主要有六苯并苯、水楊酸鈉和紅寶石等。 ? 由此可知， CCD實(shí)際上是一種三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片，其基本結(jié)構(gòu)單元是 MOS電容 。 CCD的襯底材料是 P型硅半導(dǎo)體材料，襯底上面是一層二氧化硅絕緣層，這可用集成電路的平面工藝制作。二氧化硅上面是一層金屬層，然后可用光刻工藝把金屬層加工成各種柵 (如輸入柵、轉(zhuǎn)移柵和輸出柵等 )。 信號(hào)電荷是通過(guò)二氧化硅 /P型硅界面處 P型硅表面的勢(shì)阱通道輸入、轉(zhuǎn)移和輸出的。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器材料 ? 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 按器件制造工藝可分為 雙極型 存儲(chǔ)器和 MOS型 存儲(chǔ)器兩大類 。 雙極型存儲(chǔ)器速度快但功耗大 、 集成度小 ， 只用于速度要求非?？?、 容量小的場(chǎng)合 。 MOS型存儲(chǔ)器除速度較慢之外 ， 在功耗 、 集成度 、 成本等方面都優(yōu)于雙極型存儲(chǔ)器 ， 故 市場(chǎng)上絕大多數(shù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器都是 MOS型存儲(chǔ)器 。 ? 若 按照功能分類 ， 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為 隨機(jī)存取 存儲(chǔ)器 （ RAM） 、只讀 存儲(chǔ)器 (ROM)和 順序存取 存儲(chǔ)器 (SAM)。 其中 RAM和 ROM是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主流 。 (3) 可改寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器 (EPROM) ? 可改寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器 (EPROM)允許用戶多次改寫(xiě)或擦除已存儲(chǔ)的信息 ， 主要分為 紫外光改寫(xiě)的 只讀存儲(chǔ)器 （ UVEPROM） （ 見(jiàn)圖 ）和 電可改寫(xiě) 只讀存儲(chǔ)器 （ E2PROM） 兩種 （ 見(jiàn)圖 ） 。 圖 UVEPROM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu) ? UVEPROM的存儲(chǔ)單元 是一個(gè)浮柵雪崩注入 MOS管， 其浮置柵和控制柵被包圍在 SiO2柵氧化層中，其中浮置柵離 P型襯底非常近（約 100nm）。 寫(xiě)入時(shí) 在漏極上加高壓脈沖使漏結(jié)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)從而產(chǎn)生高能電子，部分能量大的電子會(huì)穿過(guò)薄 SiO2層注入浮置柵，使浮置柵積累負(fù)電荷。由于浮置柵沒(méi)有放電回路，即使撤去高壓脈沖，負(fù)電荷仍會(huì)長(zhǎng)期保留在浮柵上，導(dǎo)致管子的開(kāi)啟電壓升高。 若控制柵被加上高電平，浮柵上有無(wú)電荷就會(huì)造成管子的不導(dǎo)通和導(dǎo)通兩種狀態(tài)，相當(dāng)于存入“ 0”或“ 1”。 UVEPROM就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)編程的。 ? 擦除信息的操作 實(shí)際上就是釋放浮柵上的電荷。 由于沒(méi)有放電回路，電荷無(wú)法穿越 SiO2層。為此， UVEPROM外殼表面設(shè)置了一個(gè)石英窗口， 擦除信息時(shí)用強(qiáng)紫外光通過(guò)石英窗口照射存儲(chǔ)芯片一段時(shí)間，使浮柵上的電子獲得足夠的能量穿越 SiO2層而逃逸。 ? UVEPROM的 缺點(diǎn)是 擦除 存儲(chǔ)芯片上已存儲(chǔ)信息的 操作只能整片進(jìn)行 。 ? E2PROM存儲(chǔ)單元的晶體管結(jié)構(gòu) 與 UVEPROM的相似 ， 不同之處在于 E2PROM的 MOS管的浮柵和漏極之間的 氧化層非常薄 ，相當(dāng)于一個(gè)供電子穿越的隧道。 圖 E2PROM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu) ?寫(xiě)入時(shí) 在控制柵上加上足夠高的正電壓 ， 漏極接地 ， 電子穿越隧道給浮柵充電； 擦除時(shí) 將控制柵接地 ， 漏極加上適當(dāng)高的正電壓 ，從浮柵上吸出注入的電子 。 由于 E2PROM可按字節(jié)用電來(lái)擦除或改寫(xiě) ， 故 E2PROM的使用比 UVEPROM方便 。 l (4) 閃爍只讀存儲(chǔ)器 (Flash ROM) ? Flash ROM是在 EPROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 一種新型電可改寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器 。 其存儲(chǔ)單元由一個(gè)雙層多晶浮柵 MOS晶體管構(gòu)成 。 該晶體管以 P+型半導(dǎo)體為襯底 ， 以兩個(gè) N+ 區(qū)分別為源和漏 ， 源與襯底之間為隧道氧化物 N ,漏與襯底之間為 P 型半導(dǎo)體 。 包圍于 SiO2層中的浮柵有兩個(gè) ， 其中靠近襯底的一個(gè)浮柵無(wú)引出線與外界相連 。 另一個(gè)浮柵靠一根引出線與控制柵相連 。 該晶體管的特別之處 是 ， 作為隧道氧化層的第一層?xùn)沤橘|(zhì)非常薄 ， 厚度僅 1020nm(見(jiàn)圖 )。 圖 Flash ROM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu) 磁存儲(chǔ)材料 ? 磁存儲(chǔ)材料 是指利用矩形磁滯回線或磁矩的變化來(lái)存儲(chǔ)信息的一類磁性材料 。 物質(zhì)在磁場(chǎng) H的感應(yīng)下會(huì)被磁化 ， 形成磁偶極子即磁矩 。 單位體積中的磁矩 M被稱為磁化強(qiáng)度 。 磁性材料 （ 特指鐵磁性材料 ， 又稱強(qiáng)磁性材料 ） 的特點(diǎn)是對(duì)外加磁場(chǎng)特別敏感 、 磁化強(qiáng)度M大 。 磁性材料的 M和磁場(chǎng) H的關(guān)系很復(fù)雜 ， 只能用磁化曲線和磁滯回線來(lái)描述 （ 見(jiàn)圖 ） 。 圖 磁性材料的磁化曲線磁滯回線 ? 圖 所示是磁性材料的磁滯回線。把一塊未磁化的磁性材料置于磁場(chǎng) H中， 若從零開(kāi)始慢慢增大磁場(chǎng)，即可觀察到 磁化強(qiáng)度M隨 OAB曲線變化，最后在 B點(diǎn)達(dá)到飽和。 繼續(xù)增大磁場(chǎng)， M不再增大。 OAB曲線稱為初始磁化曲線。 此時(shí)若減小磁場(chǎng)， M并不沿初始磁化曲線原路返回，而是 沿 BCD曲線變化， 當(dāng)磁場(chǎng) H為零時(shí)， M不等于零，而是等于 Mr, Mr稱為剩余磁化強(qiáng)度 。 繼續(xù)減小磁場(chǎng)至 D點(diǎn)時(shí)，磁場(chǎng)變?yōu)?Hc， 這時(shí) M才重新回到零。 Hc值稱為磁性材料的矯頑力。 此時(shí)若繼續(xù)增加反向磁場(chǎng)， M值就會(huì)在負(fù)方向上迅速增大，然后在 E點(diǎn)再次達(dá)到飽和。 若從這種負(fù)飽和狀態(tài)開(kāi)始，再次向正方向增大磁場(chǎng)，這時(shí) 磁化曲線將沿著新路徑 EFGB變化 。 ? 由圖 ， EFGB曲線以原點(diǎn) O為對(duì)稱點(diǎn)與BCDF曲線呈現(xiàn)對(duì)稱形式 。 由這兩條區(qū)線閉合而成的回線，稱為磁滯回線。 圖 磁性材料的磁化曲線磁滯回線 ? 磁存儲(chǔ)技術(shù) 就是利用磁滯回線的 兩個(gè)剩磁狀態(tài) +Mr和 Mr來(lái)記憶二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“ 0”和“ 1”的。 ? 磁存儲(chǔ)密度 D與磁存儲(chǔ)材料的關(guān)系 為 D = (Hc/Mr m)/h （ 51） 式中 ， h是磁性薄膜的厚度 ， Hc是矯頑力 ， Mr是剩余磁化強(qiáng)度 ， m是和磁滯回線的矩形度有關(guān)的因子 。 因此 ， 若要提高磁存儲(chǔ)密度 ， 介質(zhì)的 Hc/Mr比 和介質(zhì)磁滯回線的 矩形比 要大 ， 介質(zhì)的 厚度 要薄 。 由于記錄信號(hào)強(qiáng)度正比于剩余磁化強(qiáng)度 Mr, 因此 ， 為提高 Hc/Mr比 ， 介質(zhì)的矯頑力應(yīng)當(dāng)要大 。 ?根據(jù)磁化方向與存儲(chǔ)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向是平行還是垂直，可把磁記錄方式分為 平面磁記錄 和 垂直磁記錄兩種 。目前計(jì)算機(jī)外存中使用的絕大多數(shù)硬、軟磁盤(pán)和磁帶都是采用平面磁記錄方式。在平面磁記錄方式中，為提高記錄信號(hào)的穩(wěn)定性，磁記錄介質(zhì)的矯頑力必須大于縱向退磁場(chǎng)。縱向退磁場(chǎng)取決于退磁因子和磁化強(qiáng)度。因此 要求平面磁記錄介質(zhì)的矯頑力大、退磁因子小 。 ? 事實(shí)上 平面磁記錄介質(zhì) 從早期的氧化物磁粉（ ?Fe2O CrO 用Co 包裹的 ?Fe2O3） 經(jīng)由金屬合金磁粉（ FeCoNi等） 發(fā)展 到金屬薄膜（ CoCrPt、 CoNiCr或 CoCrTa等）的 過(guò)程 就是一個(gè) 不斷提高矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度 的過(guò)程。在這一發(fā)展過(guò)程中，人們意識(shí)到，為了實(shí)現(xiàn)高密度平面磁記錄，磁存儲(chǔ)介質(zhì)的 晶粒尺寸要小、晶粒各向異性要大、晶粒間的相互交換作用要弱 ，而薄膜化是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的行之有效的方法。 ?垂直磁記錄方式的優(yōu)點(diǎn) 是 ， 磁記錄膜層的 矯頑力不用很高 ， 厚度也無(wú)需做得很薄 ， 原因是垂直磁記錄時(shí)退磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨厚度的增加而減小 。 正是由于垂直磁記錄膜允許做得稍厚 ， 其 熱穩(wěn)定性也就較好 。 ?垂直磁記錄方式中，磁化方向垂直于磁記錄材料的膜面，因此 材料的易磁化軸也必須垂直于膜面 。要做到這一點(diǎn)， 材料的單軸各向異性常數(shù) Ku必須大于等于 2?Ms2。 滿足這個(gè)要求的材料主要是 CoCr合金， 在 CoCr合金中添加 Ta則能夠 有效地抑制 CoCr合金的 晶粒長(zhǎng)大 并 改善矩形比， 同時(shí)還能 抑制平面磁化的矯頑力 。 無(wú)機(jī)光盤(pán)存儲(chǔ)材料 ? 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù) 是 從 70年代初期 開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種 新型信息存儲(chǔ)技術(shù) 。 1972年荷蘭飛利浦公司 率先提出了一種利用激光束讀取信息的新型存儲(chǔ)媒體 ，這種新型存儲(chǔ)媒體就是后來(lái)音樂(lè)愛(ài)好者所熟悉的稱為激光反射式視盤(pán)（ LD） ,也是最早出現(xiàn)的一種光盤(pán)類型 ， 其盤(pán)徑為 300mm。 LD與后來(lái)相繼出現(xiàn)的所有光盤(pán)的最大區(qū)別是 ， LD所錄的信息是模擬信號(hào) ， 而后來(lái)出現(xiàn)的所有其它光盤(pán)所錄的信息都是數(shù)字信號(hào) 。 由于激光束能被聚焦成直徑僅 ?m的光斑 ， 故 LD的信息存儲(chǔ)密度比以往的密紋唱片已高出許多 （ 密紋唱片的紋槽密度是 612條 /mm ， LD的紋槽密度是 600條 /mm,） 。 1982年 ， 隨著數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)水平的提高 ， 荷蘭飛利浦公司和日本索尼 聯(lián)合推出了又一種稱為縮微光盤(pán) (CD)的數(shù)字化新型光盤(pán) ， 從而開(kāi)創(chuàng)了激光數(shù)字光盤(pán)的新紀(jì)元 。 隨后 ， 各種 CD系列光盤(pán)如雨后春筍般地相繼問(wèn)世 ， 形成了一個(gè)龐大的 CD家族 。 ? CD家族光盤(pán)以紅外半導(dǎo)體激光器作為光源