第五章 固體成像器件及成像系統(tǒng) 光電成像課件

第五章

固體成像器件及成像系統(tǒng)CCD物理基礎(chǔ)及工作原理CCD結(jié)構(gòu)及特性CCD成像原理及工作方式電視型光電成像系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光電成像原理1CCD物理基礎(chǔ)及工作原理——按一定規(guī)律排列的MOS電容器陣列組成的移位寄存器CCD器件結(jié)構(gòu)輸入主體輸出ViVo主體部分：密集的MOS陣列輸入部分：完成輸入信號(hào)電壓到信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換輸出部分：完成信號(hào)電荷到輸出信號(hào)電壓(電流)的轉(zhuǎn)換CCD器件的分類數(shù)字模擬成像SCCD光電成像原理2BCCD四相三相二相單相CCD成像器件光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器數(shù)據(jù)面顯微照片光電成像原理3MOS結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)P－SiSiO2Al電極Vg三層結(jié)構(gòu)：金屬柵電極、氧化物絕緣層、半導(dǎo)體襯底半導(dǎo)體襯底：P型硅襯底、N型硅襯底柵電極偏壓決定MOS電容狀態(tài)(1)穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器無(wú)偏壓狀態(tài)平帶狀態(tài)Al光電成像原理4P-SiEcEiEFPEvEFMSiO2金屬界面感生負(fù)電荷，吸引半導(dǎo)體襯底中空穴（多子、正電荷）移動(dòng)到半導(dǎo)體表面交流響應(yīng)時(shí)間多子積累狀態(tài)負(fù)偏壓狀態(tài)半導(dǎo)體表面處空穴濃度高于體內(nèi)，呈現(xiàn)表面多子積累在Vg上疊加交流小信號(hào)，積累在半導(dǎo)體表面的空穴數(shù)隨交流信號(hào)的變化而變化MOS電容值A(chǔ)lP-SiEcEiEFPEveVgEFMeVS半導(dǎo)體表面勢(shì)光電成像原理5表面處能帶向上彎曲金屬界面感生正電荷，排斥半導(dǎo)體表面空穴到襯底，表面處留下負(fù)離子，形成空間電荷區(qū)正偏壓狀態(tài)半導(dǎo)體表面處空穴濃度低于體內(nèi)，呈現(xiàn)表面多子耗盡耗盡層電位分布金屬 P-Si多子耗盡狀態(tài)EcEiEFPEveVgEFM

eVS半導(dǎo)體表面勢(shì)光電成像原理6空間電荷區(qū)負(fù)電荷密度表面處能帶向下彎曲半導(dǎo)體表面勢(shì)耗盡層厚度耗盡層電荷量柵電壓SiO2

層壓降光電成像原理7MOS電容值MOS電容與柵電壓的關(guān)系半導(dǎo)體表面能級(jí)繼續(xù)下彎，表面處電子濃度增加，超過(guò)表面空穴濃度，稱為“反型”弱反型——表面電子濃度等于空穴濃度金屬P-SiEcEiEFPEveVgE

FMeVS反型狀態(tài)光電成像原理8強(qiáng)反型——表面電子濃度超過(guò)體內(nèi)空穴濃度表面電子濃度強(qiáng)反型條件半導(dǎo)體襯底摻雜濃度

NA越高，半導(dǎo)體表面越不易反型體內(nèi)空穴濃度金屬P-SiEcEiEFPEveVgEFMeVSeF光電成像原理9強(qiáng)反型狀態(tài)的耗盡層厚度強(qiáng)反型狀態(tài)耗盡層電荷量強(qiáng)反型狀態(tài)SiO2上的壓降強(qiáng)反型狀態(tài)的閾值電壓

NA越高，Vth越大，Cox越小，Vth越大光電成像原理10反型層是半導(dǎo)體表面的一個(gè)薄層，集中了較多的可動(dòng)電荷，導(dǎo)電能力較強(qiáng)，稱為導(dǎo)電溝道。P型半導(dǎo)體的表面反型層是由電子構(gòu)成的，稱為N溝道。N型半導(dǎo)體稱為P溝道。說(shuō)明：上面所討論的是理想MOS結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時(shí)的情況。由于金屬電極與半導(dǎo)體之間存在功函數(shù)差、Si－SiO2

接觸面存在界面電荷以及由于SiO2

沾污產(chǎn)生的可動(dòng)離子電荷等等，導(dǎo)致Si半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲。在金屬柵極上施加一個(gè)負(fù)電壓VFB－－平帶電壓，使能帶恢復(fù)平直。實(shí)際上MOS系統(tǒng)在金屬柵極上所加電壓的有效值為光電成像原理11Vg

≥

Vth表面反型層的建立需要熱弛豫時(shí)間。通常熱弛豫時(shí)間可達(dá)數(shù)秒以上。建立初期，半導(dǎo)體處于深耗盡狀態(tài)，耗盡層厚度xd和表面勢(shì)

Vs大于穩(wěn)態(tài)，表面形成空的電子勢(shì)阱，MOS處于非平衡態(tài)。耗盡層中熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子進(jìn)入勢(shì)阱，集中于半導(dǎo)體表面，降低表面勢(shì)；空穴流入襯底，減薄耗盡層。反型層建立MOS強(qiáng)反型的特點(diǎn)光電成像原理12(2)MOS電容器電荷存儲(chǔ)原理——非穩(wěn)態(tài)下的MOS電容器半導(dǎo)體處于深耗盡狀態(tài)，耗盡層從表面延伸至體內(nèi)較深處，形成空的電子勢(shì)阱。光注入或電注入產(chǎn)生的信號(hào)電子進(jìn)入勢(shì)阱，形成信號(hào)電荷。同時(shí)，耗盡層與表面的電子－空穴對(duì)提供的電子也會(huì)進(jìn)入勢(shì)阱。隨著電子的填充，勢(shì)阱中的電子數(shù)量增加，勢(shì)阱變淺，表面勢(shì)下降。表