mos電容器工作原理(參考版)
2024-11-28 19:59本頁面
【正文】 小結(jié) 。通過對輸出結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)了解 CCD輸出信號的特殊性和復(fù)位噪聲的概念。了解 MOS電容 就了解了收集電荷的勢阱，了解了隔離電荷包的勢壘，了解了供電荷轉(zhuǎn)移的溝道。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 復(fù)位噪聲計(jì)算 ： 導(dǎo)通電阻熱噪聲 k: 波爾茨曼常數(shù)， T:絕對溫度， B:帶寬 CCD 利用單極點(diǎn)模型， B = 1/(4RC) 電荷的測量 )(4 r m sR Vk T R Bn ?)(/ r m sR VCkTn ?)(/ ?? eqk TCn R噪聲電壓表示： 噪聲電子表示： 復(fù)位噪聲又稱 KTC噪聲 29 210 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 舉例說明： 復(fù)位噪聲 Cs = , RON = 2k? 噪聲帶寬 B = nR = ，相當(dāng)于 126個電子 。 電荷的測量 還有輸出管的閃爍(1/f)噪聲以及輸出電阻的熱噪聲，一起構(gòu)成 CCD讀出噪聲。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 復(fù)位管不是理想開關(guān)，存在導(dǎo)通電阻。 根據(jù) V = Q/C, 這個電容的兩端將產(chǎn)生與這個電荷包電荷量成比例的電壓，也是某個特定像元入射光強(qiáng)度成比例的電壓。 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 復(fù)位 FET用開關(guān)等效，輸出節(jié)點(diǎn)電容用電容等效。 OD OS RD R SW Vout 串行寄存器的末端 輸出節(jié)點(diǎn) 相加阱 電荷的測量 輸出 FET 復(fù)位 FET 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的測量 為了進(jìn)行性能分析，利用等效電路說明。 輸出節(jié)點(diǎn) 相加阱 串行寄存器的末端 電荷的測量 輸出 FET 復(fù)位 FET 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 OD OS RD R SW Vout +5V 0V 5V +10V 0V R SW Vout 把電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)電容， Vout 下降到信號電平。 Vout 現(xiàn)在是參考電平。復(fù)位會把前一個電荷包的電荷清除掉 。相加阱起到隔離串行寄存器與輸出浮置擴(kuò)散（ FD）的作用。 電荷的轉(zhuǎn)移 三相 CCD 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 1 2 3 +5V 0V 5V +5V 0V 5V +5V 0V 5V 1 2 3 電荷的轉(zhuǎn)移 三相 CCD 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的測量 CCD工作過程的第四步是電荷的測量，是將轉(zhuǎn)移到輸出級的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號的過程。下列圖中，標(biāo)注紅色的電極為高電勢，標(biāo)注黑色的電極為低電勢。 電極 絕緣氧化物 N型硅 P型硅 電荷的轉(zhuǎn)移 三相 CCD 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 電荷的轉(zhuǎn)移 三相 CCD 三相 CCD的電荷包轉(zhuǎn)移過程 CCD中實(shí)現(xiàn)電荷包轉(zhuǎn)移的實(shí)際過程。 平面圖 截面圖 圖示為 CCD成像區(qū)的一小部分（幾個像元）。 電荷的轉(zhuǎn)移 三相 CCD 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 一個像元 溝阻，定義了圖像區(qū)的列 透明水平電極，在垂直方向上定義了像元，該電極用于轉(zhuǎn)移電荷。 27 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 在串行寄存器中的電極每隔 3個連在一起。 電荷的轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)移效率 mm /1???在上述類比中，最遠(yuǎn)的一個小盆的水轉(zhuǎn)移了 6次，如果 ?＝ ，那末這盆水輸出時，剩下原來水量的 94％。 CCD的工作過程類比說明 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 在由一個小盆 (像元 )將水 (電荷包 )轉(zhuǎn)移到下一個小盆(像元 )的過程中，總是有一些損失。 CCD的工作過程類比說明 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 ? 重復(fù)上述轉(zhuǎn)移－測量的過程，直到所有小盆中雨水的數(shù)量都測量完畢。 CCD的工作過程類比說明 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 又一次測量結(jié)束。 ? 每次測量完成以后，都要將量筒倒空，準(zhǔn)備下一次測量。 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。 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。 中國科學(xué)院長春光學(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)移和測量電荷的過程。當(dāng)電子是在復(fù)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(yùn)動的機(jī)制。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果將提高探測器的量子效率。越長，信號電子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。 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)活動的時間是有限的。每個電荷包對應(yīng)一個像元。 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 中國科學(xué)院長春光學(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 )；
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