ccd工作原理ppt課件(編輯修改稿)
2025-05-25 22:01 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 耗盡區(qū) 埋溝電容是在 一個 p型襯底上建造的；在 p型襯底表面上形成一個 n型區(qū) (~1μm厚 )； 然后，生長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電子的勢能： q 是電子的電荷量，而 ?為靜電勢 26 無偏置時 ， n型層內(nèi)含有多余的電子向 p型層擴散， p型層內(nèi)含有多余的空穴并向 n型層擴散； 這個結(jié)構(gòu)與二極管結(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同。上述的擴散產(chǎn)生了內(nèi)部電場，在 n型層內(nèi)電勢達到最大。 n p 沿此線的電勢示于上圖 . 電勢 CCD厚度方向的截面圖 這種‘埋溝’結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能使光生電荷離開CCD 表面，因為在 CCD表面缺欠多，光生電荷會被俘獲。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 這個勢能最小 (或電位最高 ) 的地方就是多余電子聚集的地方。 CCD曝光時，每個像元有一個電極處于高電位 。硅片中這個電極下的電勢將增大，成為光電子收集的地方，稱為 勢阱 。其附近的電極處于低電位，形成了 勢壘 ，并確定了這個像元的邊界。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 電勢 勢能 勢能 CCD曝光時，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢阱里收集。隨著電荷的增加，電勢將逐漸變低，勢阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達到飽和。 勢阱能容納的最多電荷稱為 滿阱電荷數(shù) 。 n p 電勢 最大電勢區(qū) 電荷的收集 MOS 電容器 實際的埋溝結(jié)構(gòu) 埋溝結(jié)構(gòu)的兩邊各有一個比較厚 (~)的場氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的 p型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢對柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢壘。 電荷的收集 MOS 電容器 柵極 N型埋溝 場氧化物 溝阻 P型襯底 耗盡區(qū) 信號電荷 氧化物 埋溝結(jié)構(gòu)的 MOS電容的主要特點是： ?能在單一電極之下的一個局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勢阱； ?能調(diào)整或控制柵極下面的勢能； ?儲存電荷的位置 (勢能最小處 )離 Si Si02 交界面有一定的距離； ?低的暗電流使其能夠長時間的儲存信號電荷 (取決于工作條件可以從數(shù)十秒到數(shù)小時 )； ?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電極之下的一個位置轉(zhuǎn)移到下一個鄰近的電極下面，而且損失非常低。 電荷的收集 MOS 電容器 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， 電子向器件中電勢最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個電荷包對應一個像元。 電荷的收集 電荷收集的效率與電勢的分布、復合壽命和擴散長度有關。 電荷的收集 復合壽命 由光子激發(fā)出的電子在重新躍遷回價帶 (與空穴復合 )之前可以在硅晶格內(nèi)活動的時間是有限的。這個過程的時間常數(shù)稱為復合壽命，其大小取決于硅的質(zhì)量和摻雜的濃度。越長，信號電子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。 電荷的收集 擴散長度 為了使 CCD中電子能夠通過擴散和漂移到達指定的收集區(qū)，可以通過特定的摻雜分布和電場分布設計來達到。這種設計的結(jié)果將提高探測器的量子效率。 擴散長度表示光生電子復合前移動的平均距離。當電子是在復合壽命很長的區(qū)域內(nèi)生成，但是它必須移動到 指定的收集區(qū) 去時，這個電子是否能夠被收集取決于它向制定區(qū)域運動的機制。 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像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。 下面通過類比說明 CCD 收集、轉(zhuǎn)移和測量電荷的過程。 小盆 虹吸泵 雨水量筒 CCD的工作過程類比說明 每個小盆接到的 雨水數(shù)量不同 類比中，雨滴表示光子； 收集的雨水表示 CCD探測的電荷 。 小盆表示像元，小盆的深度表示每個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 先將雨水向左移動 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。 為了測量 每個小盆中的雨水（雨停以后），虹吸泵將每個小盆中的雨水向雨水量筒轉(zhuǎn)移。 CCD的工作過程類比說明 倒空量筒 ? 然后將最靠近量筒小盆中的雨水通過虹吸泵導入量筒中測量它的數(shù)量。 ? 每次測
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