CCD常见术语

CCD的结构、工作原理和制造方法

2018-12-04 16:40:14 883

CCD结构和工作原理

CCD每个像素是一个金属-氧化物-半导体(Metal-Oxidation-Semiconductor, MOS)单元,按制造方法大体上可分为:

l  表面沟道电荷耦合器件(SCCD – Surface-channel Charge-Coupled Device

l  隐埋通道电荷耦合器件(BCCD – Buried Channel Charge-Coupled Device

1.jpg

制造方法

表面沟道CCD制造方法:在P型或N型单晶硅衬底上,用氧化方法生成一层厚度约为100~150nmSiO2绝缘层,再在SiO2表面上按一定层次镀一层金属Metal或多晶硅Polysilicon,并引出电极,称为栅极Gate。衬底上也引出电极。栅极是分立的,氧化物和半导体是连续的。

隐埋通道CCD制造方法:只是在P-Si衬底和SiO2之间上增加了一层n-型区(~1μm)。

面阵CCD还要在每列像素之间加上沟阻,示意图如下(注意,只是为了说明,未按比例绘制):clip_image002.png



以上只是示意图,为了便于说明。实际的栅极电极形状和水平移位寄存器的布局可能不同。下面是一种实际的形状结构:

1539761951272139.png1539761974388198.png


表面沟道CCD工作原理:

1.         势阱的形成


1.jpg


a.         在栅极和衬底之间加正偏压之前,P型半导体中的空穴(多子)的分布是均匀的

b.         当栅极施加较小正电压UG时,在电场的作用下,栅极下P-Si中的空穴(多数载流子)在电场的作用下,向衬底移动,金属氧化层和P-Si界面下只留下不能移动的带负电原子,形成耗尽区。

c.         耗尽区对电子来说,是一个势能很低的区域,若注入电子,电场则吸引它到电极下的耗尽区,由于绝缘层和电场的存在,注入的电子会被束缚在这个区域内,实现电荷的储存。这个区域就称为势阱。

d.         UG大于某个阀值Uth时,电场强度高到足以将半导体内电子(少子)也吸引到SiO2P-Si界面附件,形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层(沟道),即深度耗尽状态。

UG>0时,如有自由电子进入势阱,耗尽层高度和电势随电子数量的增加而减小,使电场变弱,势阱变浅,当电子数量达到一定程度,电场不足以束缚电子,因此势阱的电子容量是有限的,这个容量就是CCD的关键参数:像素满井容量。

像素满井容量(Full-Well Capacity

对科学级相机,一般为数百个ke

满井容量与栅极电压UG、绝缘层电容Cox、栅极面积AdP-Si掺杂浓度相关:Q=Cox×UG×Ad

Greateyes内真空相机 GE-VAC 1024 256 BI UV1,像素满井容量为500ke。满井容量高,则动态范围大。

1.         电子的产生

l  光子进入衬底时,会因光电效应产生电子-空穴对,电子因电场的存在,被吸入势阱,被储存起来,而空穴则被排斥到半导体衬底的底部。一个势阱收集到的若干个光子产生的电荷称为一个电荷包

光电子的数量与光子的能量、光强和照射时间成正比。而同一种材料对不同波长的光的吸收不一样,不同波长的光穿透能力不同,因此,不同能量,也即不同波长的光子产生的光电子数量不同。光电子数量与光波长的相关性的性能指标是量子效率。


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