第七章 電荷轉(zhuǎn)移器件

CompanyLogo第7章電荷轉(zhuǎn)移器件劉喬阮雄飛2深耗盡狀態(tài)和表面勢(shì)阱Contents1MOS電容的瞬態(tài)特性2信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率34電荷轉(zhuǎn)移37.3MOS電容的瞬態(tài)特性在電荷耦合器件緊密排布的MOS電容器上施加電壓脈沖就產(chǎn)生勢(shì)阱。少數(shù)載流子的存貯和輸送就是在這些勢(shì)阱之間進(jìn)行的。給下圖所示的MOS電容器加上正的柵偏壓，在柵的下邊形成耗盡層。在形成反型層之前，半導(dǎo)體表面處于深耗盡狀態(tài)。47.3MOS電容的瞬態(tài)特性在深耗盡狀態(tài)，耗盡層內(nèi)將產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在耗盡層電場(chǎng)作用下，電子向半導(dǎo)體表面漂移，空穴向半導(dǎo)體體內(nèi)漂移。進(jìn)入體內(nèi)的空穴中和電離受主，使耗盡層變窄。

電子向半導(dǎo)體表面漂移使表面電子濃度不斷增加引起電子從表面向體內(nèi)擴(kuò)散，同時(shí)抵制電子向半導(dǎo)體表面的漂移。結(jié)果是漂移不斷減弱，擴(kuò)散不斷加強(qiáng)，最終達(dá)到漂移流和擴(kuò)散流相等的動(dòng)態(tài)平衡--熱平衡。達(dá)到熱平衡所需要的時(shí)間即為熱弛豫時(shí)間。57.3MOS電容的瞬態(tài)特性（b）在t=0+時(shí)深耗盡情況下的能帶圖和電荷分布;（c）熱平衡時(shí)（t=∞）的能帶圖和電荷分布。67.3MOS電容的瞬態(tài)特性由于實(shí)用勢(shì)阱不是處于飽合條件下，所以CCD器件基本上是一種動(dòng)態(tài)器件。電荷可以存儲(chǔ)在其中，存儲(chǔ)的時(shí)間要比熱弛豫時(shí)間短得多。

在加有信號(hào)電荷Qsig之后，總表面的電荷為將式，(7-3-1）代入（7-3-2）得到(7-3-1）（7-3-2）（7-3-3）77.3MOS電容的瞬態(tài)特性解方程（7-3-3）求得表面勢(shì)式中信號(hào)在電荷在氧化層上產(chǎn)生電壓降，它使表面勢(shì)降低87.3MOS電容的瞬態(tài)特性公式(7-3-4)在CCD的設(shè)計(jì)中很重要。這是由于ψs標(biāo)志著勢(shì)阱的深度，同時(shí),ψs的梯度支配著少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)。從下列三個(gè)式子中可以看出，表面勢(shì)由襯底摻雜濃度Na以及決定C0的氧化層厚度x0所控制。若令V為常數(shù)，則當(dāng)Na和x0減少時(shí)，ψs增加。(7-3-4）(7-3-5）(7-2-2）97.3MOS電容的瞬態(tài)特性在圖7-4中以Na和X0作參數(shù)，把（7-3-4）作為V的函數(shù)畫成曲線。由于（7-3-5）說明V隨Qsig的增加而減少，所以表面勢(shì)也是信號(hào)電荷量的函數(shù)。107.3MOS電容的瞬態(tài)特性在柵電極和襯底之間的電容是氧化層電容與耗盡層電容的串聯(lián)組合。利用,（7-2-2）和

可以推導(dǎo)出若測(cè)得Cgs，就可由此式計(jì)算出ψs，然后可以利用（7-3-4）和（7-3-5）計(jì)算出信號(hào)電荷。也就是說，可以通過考慮氧化層和耗盡層電容的充電估算信號(hào)電荷量。117.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率

當(dāng)一個(gè)電荷束沿著CCD移動(dòng)時(shí)，每次轉(zhuǎn)移總要在后邊留下小部分電荷。從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱的電荷所占的比率稱為傳輸效率或轉(zhuǎn)移效率η。留下的電荷所占比率稱為轉(zhuǎn)移失真率ε。

η+ε=1當(dāng)信息電荷轉(zhuǎn)移了N個(gè)電極之后，總的傳輸效率應(yīng)為ηN，即轉(zhuǎn)移N次之后的信號(hào)電荷量QN與原來的信息電荷量Q0之比為QN/Q0=ηN=(1?ε)N127.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率對(duì)于ε很小的情況，

實(shí)際CCD往往需要經(jīng)過大于1000次的轉(zhuǎn)移（即N>1000）,為了保證經(jīng)過N次轉(zhuǎn)移以后總的傳輸效率仍在百分之90以上，失真率必須達(dá)到10-4-10-5。實(shí)驗(yàn)上觀察到大部分電荷表現(xiàn)為迅速轉(zhuǎn)移，但總電荷束的一小部分b以時(shí)間常數(shù)τ指數(shù)式地較慢地轉(zhuǎn)移。因此，較慢的電荷轉(zhuǎn)移限制著器件的頻率特性，且轉(zhuǎn)移效率遵守QN/Q0=(1?ε)N≈e-εN137.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率信息電荷的轉(zhuǎn)移機(jī)制和轉(zhuǎn)移失真因素：信息電荷的轉(zhuǎn)移機(jī)制：1.自感應(yīng)電場(chǎng)力轉(zhuǎn)移：在剛開始，電荷束非常密集并被限定于局部，在勢(shì)阱邊緣有大的濃度梯度。這時(shí)電子間的強(qiáng)排斥力--自感應(yīng)電場(chǎng)力對(duì)電荷轉(zhuǎn)移起主要作用。電荷束中相當(dāng)大的一部分（百分之99）通過自感應(yīng)電場(chǎng)力轉(zhuǎn)移。147.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率2.

通過熱擴(kuò)散轉(zhuǎn)移：對(duì)于小量的信號(hào)電荷，信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受熱擴(kuò)散所支配。3.

通過邊緣場(chǎng)漂移轉(zhuǎn)移：邊緣場(chǎng)就是臨近電極加的柵壓形成的電場(chǎng)。邊緣場(chǎng)對(duì)信號(hào)電荷有吸引作用，將加速電荷的轉(zhuǎn)移。157.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率轉(zhuǎn)移失真因素：1.對(duì)于少量的信號(hào)電荷，信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受熱擴(kuò)散所支配。這種機(jī)制使轉(zhuǎn)移電極下的電荷e指數(shù)地衰減，它的時(shí)間常數(shù)由下式確定

式中D為載流子的擴(kuò)散系數(shù)，L為電極長度。如果轉(zhuǎn)移電極上的時(shí)鐘脈沖電壓變化太快，電荷來不及完全轉(zhuǎn)移而留在原勢(shì)阱中。這樣就會(huì)造成轉(zhuǎn)移效率的降低。信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移的弛豫時(shí)間：167.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率為了保證一定的轉(zhuǎn)移效率，時(shí)鐘電壓就有一個(gè)上限頻率。例如電極長度L=10μm，D=10cm/s2,估算出τ=4×10-8秒。如果要求失真率ε<10-4，則要求時(shí)鐘變化的周期T滿足

177.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率在三相P溝道CCD中，對(duì)于單獨(dú)通過熱擴(kuò)散引起的電荷轉(zhuǎn)移，如果表面空穴采用D=6.75cm/s2，在頻率為f的每個(gè)周期中移去電荷的百分之99.99(失真率ε=10-4)，則時(shí)鐘頻率f不能高于式中L以微米作單位。如果L=10μm,上限頻率只有560kHz。187.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率實(shí)際上，由于邊緣場(chǎng)的加速作用，上限頻率要比這高得多，如達(dá)到10MHz。

電荷轉(zhuǎn)移過程可以通過建立電極之間的邊緣場(chǎng)(使之指向電荷沿溝道傳播的方向)得到加速。邊緣場(chǎng)就是臨近電極加的柵壓所形成的電場(chǎng)。

197.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率

在虛線以上，通過邊緣場(chǎng)移去信號(hào)電荷花費(fèi)的時(shí)間較長，因此熱擴(kuò)散的效果起支配作用。

在虛線以下，電荷是通過邊緣場(chǎng)轉(zhuǎn)移的，因此，若襯底摻雜為1015cm?3以及L=7μm，在10MHz的時(shí)鐘頻率下得到百分之99.99的電荷轉(zhuǎn)移。圖7-5

對(duì)于各種襯底摻雜濃度，轉(zhuǎn)移效率到99.99%所需要的時(shí)間與柵長度的關(guān)系207.4

信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率2.界面態(tài)復(fù)合陷阱：硅和二氧化硅界面處存在界面態(tài)，它們構(gòu)成信號(hào)電荷俘獲和復(fù)合的陷阱，這是電荷耗損的重要因素。

減小這種影響的辦法除了采取一些工藝措施盡量減少界面