CCD結(jié)構(gòu)及工作原理

1、CCD結(jié)構(gòu)及工作原理1 CCD的物理基礎(chǔ)11.1 MOS電容的熱平衡態(tài)特性21.2 MOS電容的非平衡態(tài)特性42 CCD的組成及其工作原理52.1 CCD的組成52.2 電荷轉(zhuǎn)移溝道93 CCD傳感器的類型103.1線型CCD103.2 面型CCD114幾種國外CCD 圖像傳感器介紹114.1超高分辨力線陣CCD 圖像傳感器114.2幀轉(zhuǎn)移面型CCD 圖像傳感器114.3 低光度CCD 圖像傳感器114.4 高分辨力大面陣CCD 圖像傳感器114.5 CCD485 固體全幀傳感器114.6松下推出高速CCD 圖像傳感器124.7 ITO- CCD 圖像傳感器124.8 電子倍增CCD 圖像傳感

2、器124.9 紫外CCD 圖像傳感器121 CCD的物理基礎(chǔ)CCD是由按照一定規(guī)律、緊密排列起來的金屬絕緣半導(dǎo)體(MIS(Metal Insulator Semiconductor)電容陣列組成的，MIS電容結(jié)構(gòu)是CCD的基本組成部分。CCD的工作原理是建立在MIS電容理論之上，依靠在MIS電容器上儲存電荷載流子和轉(zhuǎn)運電荷載流子。所以，在論文的開始部分首先分析一下MIS電容結(jié)構(gòu)特性，這將有利于理解CCD的工作機(jī)理。圖1 MIS電容結(jié)構(gòu)MIS電容結(jié)構(gòu)如圖1所示，它十分類似于金屬-絕緣體-金屬MIM(Metal Insulator Metal)平行板電容器，但有許多不同之處。例如在MIM電容器的兩

3、個金屬板上施加電壓時，充電電荷分布在緊靠絕緣體的原子層厚度內(nèi)，其電壓全部降落在絕緣體內(nèi)。而對MIS電容器施加電壓時，因半導(dǎo)體中的電荷密度遠(yuǎn)小于金屬的電荷密度，所以在半導(dǎo)體一側(cè)，其電荷分布在半導(dǎo)體表面一定厚度的層內(nèi)，所加的電壓一部分降落在絕緣層內(nèi)，另一部分則將降落在半導(dǎo)體表面的空間電荷層中5。此時在半導(dǎo)體中有兩種極性不同的載流子即電子和空穴，而且其濃度相差很大(如在硅中，多子和少子濃度往往相差倍)，因此，在MIS電容器上施加極性相反的電壓時，半導(dǎo)體表面電荷層各處的電荷極性、分布和厚度大不相同。 (a) MIS 電容器 (b)電場隨深度變化圖圖2 MIS電容器及電場(電勢)隨深度變化圖如圖2所示，

4、若給MIS電容器上施加正向電壓咋(此時金屬極板上帶正電荷，半導(dǎo)體上帶負(fù)電荷)，在它們之間的絕緣層上將建立起電場，但是因為半導(dǎo)體中的自由載流子密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬的自由電子密度，所以半導(dǎo)體中的電荷就要擴(kuò)展到相當(dāng)厚的一層，即垂直電場的存在使半導(dǎo)體表面內(nèi)形成具有相當(dāng)厚度的空間電荷區(qū)，它起著對電場的屏蔽作用，使電場由界面開始逐漸減小，直到空間電荷區(qū)的邊界，電場幾乎被全部屏蔽。1.1 MOS電容的熱平衡態(tài)特性可見光CCD是以硅為基體材料的，絕緣體就是硅的氧化物，所以常為MOS電容結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出P型半導(dǎo)體表面處能帶結(jié)構(gòu)的變化情況。圖中為導(dǎo)帶底，為帶頂，為費米能級，為半導(dǎo)體在本征導(dǎo)電情況的，它位于禁帶中央

5、附近。 (a) 體內(nèi)能帶 (b)表面耗盡層 (c)表面積累層 (d)表面反型層圖3 p型半導(dǎo)體表面處能帶結(jié)構(gòu)的變化如果表面的存在對電子運動沒有任何影響的話。如圖3(a)所示，水平能量線將一直延伸到表面，并與表面垂直。但實際上表面的存在不可能不影響到表面附近的電子運動和表面附近的能帶結(jié)構(gòu)，表面附近的電子能量也不可能與體內(nèi)的能量完全一樣，而且表面常常不可避免的有電荷吸附。在MOS結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體與絕緣體的交界面上也由于晶格結(jié)構(gòu)不連續(xù)而出現(xiàn)局域化電子能級，因而帶有一定電荷.在絕緣體內(nèi)甚至在外表面也可能有電荷存在。所有這些電荷總的效果相當(dāng)于是在半導(dǎo)體表面施加了一個電場，使得體內(nèi)接近界面處的電子能帶發(fā)生變

6、化，從而使表面層內(nèi)的電荷重新分布。如果界面上以及氧化層內(nèi)總的有效電荷為負(fù)電荷，那么它的電場將排斥電子而吸引空穴，這樣接近表面的電子能量增大。如圖3(c)所示，表面處能帶向上彎曲，近表面處空穴濃度增大。也就是表面層內(nèi)積累了相當(dāng)數(shù)量的空穴和表面上的負(fù)電荷，所以表面層稱做“積累層”。反之，如果界面上以及氧化層內(nèi)總的有效電荷為正電荷，則近表面的電子能量降低，能帶將向下彎曲。如圖3(b)所示，空穴被電場驅(qū)向體內(nèi)，在表面層內(nèi)留下帶負(fù)電的受主離子。能帶彎曲的結(jié)果是使表面層剩下的負(fù)的受主離子及少量電子來中和表面上的正電荷。在這一表面層內(nèi)，載流子都被電場驅(qū)開，通常稱為“耗盡層”或“空間電荷層”，能帶彎曲部分的深

7、度就是耗盡層厚度W。如果表面及氧化層內(nèi)的正電荷密度更大(外加電壓情況)，則能帶在表面處的向下彎曲將更為嚴(yán)重，以致于在表面形成一層反型層。如圖3(d)所示。從表面到與相交點的一薄層內(nèi)變成n型導(dǎo)電，在n型層與體內(nèi)P型導(dǎo)電區(qū)之間仍是耗盡層，兩層總厚為W。通常以體內(nèi)的為電勢的零點，在表面上相對于的位置稱為表面勢。能帶向上彎曲表面勢為負(fù)，能帶向下彎曲表面勢為正。1.2 MOS電容的非平衡態(tài)特性接下來仍以P型半導(dǎo)體為例，若以外加電壓的正極接到柵極，負(fù)極接到半導(dǎo)體的底板使半導(dǎo)體近界面處的能帶下彎到進(jìn)入反型層，當(dāng)電壓剛加到MOS電容器上的瞬間，在介電弛豫時間(約s)內(nèi)，金屬電極上即感應(yīng)生成負(fù)電荷。半導(dǎo)體中只有

8、多子(空穴)能夠跟得上這個變化，少子(電子)在介電弛豫時間內(nèi)沒有變化。在近界面層內(nèi)留下了同樣數(shù)目的,這時的能帶結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，外加電壓大部分降落在半導(dǎo)體的空間電荷層內(nèi)，只有一小部分V降落在絕緣層上，這時近界面雖是強(qiáng)反型層，但電子尚沒有產(chǎn)生，實質(zhì)上是空的電子勢阱。這是一個非平衡狀態(tài)，在此之后，快態(tài)(即半導(dǎo)體與絕緣層之間的界面態(tài))可能產(chǎn)生電子一空穴對，體內(nèi)熱激發(fā)而產(chǎn)生的電子一空穴對，其中電子在電場作用下進(jìn)入勢阱，空穴則被趕入體內(nèi)，勢阱中電子的填入，使此處能帶變高，最后恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)。如圖4(b)所示。這時降落在絕緣層的電壓增加，而降落在半導(dǎo)體空間電荷層的電壓則降低。從非平衡態(tài)的建立到熱平衡

9、所需要的時間(也可以說是熱激發(fā)所產(chǎn)生的電子填滿勢阱所需的時間)稱為存儲時間，即 （1）式中，為耗盡區(qū)少子壽命，為本征載流子濃度，T的大小主要取決于硅晶體的完整性，完美硅單晶的T長達(dá)幾秒到幾十秒。CCD工作的主要基礎(chǔ)是非平衡狀態(tài)(圖4(a)，在此狀態(tài)下，勢阱可用來儲存信號電荷，也可以用來使信號電荷從一個勢阱轉(zhuǎn)移到相鄰的另一個勢阱中去。 (a)電壓剛加上去的瞬間 (b)達(dá)到熱平衡后圖4 MOS電容在外加電壓下表面附近的能帶結(jié)構(gòu)2 CCD的組成及其工作原理2.1 CCD的組成CCD主要由3個部分組成，即信號輸入部分、信號電荷轉(zhuǎn)移部分和信號輸出部分。輸入部分：輸入部分的作用是把信號電荷引入到CCD的第

10、一個轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中。引入的方式取決于實際的應(yīng)用場合：在濾波、延遲線和存儲器應(yīng)用情況下是用電注入的方法將電荷提供給CCD；在攝像應(yīng)用中是依靠光注入的方式引入。電注入機(jī)構(gòu)是由一個輸入二極管和一個或幾個輸入柵構(gòu)成，它可以將信號電壓(電流)轉(zhuǎn)換為勢阱中等效的電荷包，即給輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷?，在其下半?dǎo)體表面形成一個耗盡層。如果這時在緊靠輸入柵的第一個轉(zhuǎn)移柵上施以更高的電壓，則在它下面便形成一個更深的耗盡層。這時輸入柵下的耗盡層就相當(dāng)于一個“通道”，受輸入信號調(diào)制的信號電荷包就會從輸入二極管經(jīng)過“通道”流入第一個轉(zhuǎn)移柵下所形成的耗盡層(勢阱)中，于是輸入柵電壓消失，輸入過程完成。也可將信號加在柵上，通

11、過信號調(diào)制，控制柵下通道進(jìn)行注入。CCD的輸入方式有場效應(yīng)管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor)輸入、注入二極管輸入、電勢平衡法輸入等。圖5給出了MOSFET注入方式的結(jié)構(gòu)和時鐘波形。以此為基礎(chǔ)，簡述一下注入過程:注入部分是一個高摻雜的區(qū)，與襯底構(gòu)成p結(jié)二極管。輸入柵相當(dāng)于MOSFET的控制柵，、分別為轉(zhuǎn)移柵。當(dāng)處于高電位時，其下的表面勢比較大，所對應(yīng)的勢阱比較深。如圖5(b)所示。如果這時注入二極管p結(jié)處于正偏，并在輸入柵上施加大于開啟電壓的正柵壓，則電子將通過輸入柵下的溝道注入到下的勢阱中。如圖5(c)所示，當(dāng)輸入

12、采樣結(jié)束時，如圖5(d), 恢復(fù)到低電位，場效應(yīng)輸入管夾斷，采樣中止。以后每當(dāng)處于高電位和也打開的一段時間內(nèi)，電荷就相應(yīng)的注入到下的勢阱中。這種輸入方式是非線性的，而且引起的噪聲較大只作原理性的試驗分析用，這屬于CCD發(fā)展初期所采用的注入方式，在實際器件中很少采用這種注入方式。目前采用最多的是電勢平衡法的改進(jìn)形式，它具有線性好、噪聲低等優(yōu)點。圖5 MOS FET 注入結(jié)構(gòu)與時鐘波形電注入電路是CCD器件不可缺少的電路即使是CCD攝像器件，信號電荷來自光注入，也需要電注入電路實現(xiàn) “胖零”運行或檢測。所以，所有CCD器件中都帶有輸入電路。光注入，這是攝像器件所必須采取的唯一的注入方法。這時輸入二

13、極管由光敏元代替。固體圖像器件的光敏元主要有：光電導(dǎo)體、MOS電容器 (MOS二極管)、pn結(jié)光電二極管和肖特基勢壘光電二極管。攝像時光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收，產(chǎn)生電子一空穴對，多數(shù)載流子進(jìn)入耗盡區(qū)以外的襯底，然后通過接地消失，少數(shù)載流子便被收集到勢阱中成為信號電荷7。當(dāng)輸入柵開啟后，第一個轉(zhuǎn)移柵上加以時鐘電壓時，這些代表光信號的少數(shù)載流子就會進(jìn)入到轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中，完成光注入過程。在線陣CCD圖像傳感器中，光敏元常為由“S”形溝阻隔離，呈叉指狀。在幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD圖像傳感器中，光敏元排列在一起成為成像區(qū)，它相當(dāng)是m個光敏元為n的線陣CCD圖像傳感器并排組成，即成像區(qū)為m×

14、;n個光敏元。在內(nèi)行轉(zhuǎn)移型面陣CCD中，光敏元和移位寄存器各單元之間一一對應(yīng)，隔行排列。信號轉(zhuǎn)移部分：信號轉(zhuǎn)移部分是由一串緊密排列的MOS電容器構(gòu)成，根據(jù)電荷總是要向最小位能方向轉(zhuǎn)移的原理工作。轉(zhuǎn)移時，只要轉(zhuǎn)移前方電極上的電壓高、電極下的勢阱深，電荷就會不斷的向前運動。通常是將重復(fù)頻率相同、波形相同并且彼此之間有固定相位關(guān)系的多相時鐘脈沖分組依次加在CCD轉(zhuǎn)移部分的電極上，使電極上的電壓按一定規(guī)律變化，從而在半導(dǎo)體表面形成一系列分布不對稱的勢阱。圖6給出了三相時鐘驅(qū)動的CCD結(jié)構(gòu)和時鐘脈沖。圖6 CCD結(jié)構(gòu)示意圖及三相時鐘由圖6可知，在信號電荷包運動的前方總是有一個較深的勢阱處于等待狀態(tài)，于是

15、電荷包便可沿著勢阱的移動方向向前定向作連續(xù)運動。此外，還有一種是利用電極不對稱方法來實現(xiàn)勢阱分布不對稱，促使電荷包向前運動。勢阱中電荷的容量由勢阱的深淺決定，電荷在勢阱中存儲的時間受限于勢阱的熱弛豫時間，它必須遠(yuǎn)小于熱弛豫時間，所以CCD是在非平衡狀態(tài)工作的器件。輸出部分：輸出部分是由一個輸出二極管、輸出柵和一個輸出耦合電路組成，其作用是將CCD最后一個轉(zhuǎn)移柵下勢阱中的信號電荷引出，并檢測出電荷包所輸出的信息。最簡單的輸出電路是通過二極管輸出，輸出柵采用直流偏置，輸出二極管處于反向偏置狀態(tài)，到達(dá)最后一個轉(zhuǎn)移柵下的電荷包，通過輸出柵下 “通道”，到達(dá)反向偏置的二極管并檢出，從而產(chǎn)生一個尖峰波形，

16、此波形受偏置電阻R、寄生電容C以及電荷禍合器件工作頻率的影響。圖7示出了這種輸出電路及波形。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，但是噪聲較大，很少采用。現(xiàn)在多采用浮置柵輸出技術(shù)，它包括兩個MOSFET，并兼有輸出檢測和前置放大的作用。如圖8所示。圖7 二極管輸出電路及輸出波形圖8 FDA讀出方法的等效電路浮置擴(kuò)散放大器FDA(FloatD ifusionA mplifier)的讀出方法是一種最常用的CCD電荷輸出方法。它可實現(xiàn)信號電荷與電壓之間的轉(zhuǎn)換，具有大的信號輸出幅度以及良好的線性和較低的輸出阻抗。CCD輸出電路的設(shè)計和制造與輸入電路一樣是極為重要的，它們決定了整個CCD器件的噪聲幅值。由于CCD是低噪聲器

17、件，因此選擇和設(shè)計好CCD輸入和輸出電路，對于提高器件的信噪比，增大動態(tài)范圍有著決定性的影響。2.2 電荷轉(zhuǎn)移溝道CCD的信號電荷轉(zhuǎn)移溝道有兩類:表面溝道電荷耦合器件SCCD (Surface Charge Coupled Device)和體內(nèi)溝道電荷禍合器件BCCD(Body Charge Coupled Device)。如前所述，信號電荷包轉(zhuǎn)移和存儲的勢阱是在界面處Si表面移動的，而半導(dǎo)體硅表面處晶格周期性中斷，在禁帶中將存在著密度很高的局部能級。雖然經(jīng)過一定的化學(xué)處理后的Si表面總存在著一層極薄的膜，使得Si和界面上的表面態(tài)數(shù)目少于硅自由表面上的表面態(tài)數(shù)目，甚至可以降到數(shù)量級，但是無法徹

18、底消除。界面態(tài)的存在將和信號電荷相互作用，對轉(zhuǎn)移特性影響很大。為了克服界面態(tài)對轉(zhuǎn)移溝道中信號電荷轉(zhuǎn)移的影響，可以通過外延技術(shù)或離子注入技術(shù)等，在氧化層下的半導(dǎo)體表面附近設(shè)置一層淺n層，將轉(zhuǎn)移溝道由半導(dǎo)體表面移到遠(yuǎn)離界面的體內(nèi)，這就是所謂的BCCD。對P型襯底而言，工作時除了在電極上加上時鐘脈沖電壓外，還必須通過區(qū)在n型薄層內(nèi)加足夠高的正偏壓，使之與襯底構(gòu)成的pn結(jié)處于反向偏壓狀態(tài)，并且使淺n型薄層完全耗盡達(dá)到“穿通”狀態(tài)。這時氧化層下的耗盡區(qū)和由淺n層與襯底所形成的pn結(jié)伴隨產(chǎn)生的耗盡區(qū)融合在一起，金屬電極下的電位分布便與pn結(jié)偏壓的大小無關(guān)。工作時只要時鐘電壓小于pn結(jié)偏壓，電子位能最低處便

19、向體內(nèi)移動。如圖9所示。圖9 >時，BCCD中電場和電勢分布兩種轉(zhuǎn)移溝道CCD各有優(yōu)缺點，在應(yīng)用中不能完全相互代替。SCCD最大的優(yōu)點是制作工藝簡單、信號處理容量大，在一些運行速度要求不高的場合具有很大的適應(yīng)性。BCCD最大的優(yōu)點是噪聲低，這種低噪聲和高傳輸效率相結(jié)合，可使BCCD成為低照度下較為理想的攝像器件，此時BCCD信號容f小將不是主要矛盾.所以，這兩種結(jié)構(gòu)器件都在高速發(fā)展之中，應(yīng)用領(lǐng)域都在不斷擴(kuò)大。3 CCD傳感器的類型3.1線型CCD線型CCD 圖像傳感器由一列MOS 光敏單元和一列CCD 移位寄存器構(gòu)成, 分為單行結(jié)構(gòu)和雙行結(jié)構(gòu), 線型CCD 圖像傳感器可直接接收一維光信息

20、, 不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出, 必須用掃描的方法得到整個二維圖像的視頻信號。線型CCD 圖像傳感器主要用于尺寸測試和定位、傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面。3.2 面型CCD按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列, 即可以構(gòu)成面型CCD 圖像傳感器。面型CCD 圖像傳感器有3 種基本類型: 線轉(zhuǎn)移型、幀轉(zhuǎn)移型和行間轉(zhuǎn)移型。面型CCD 圖像傳感器主要用于攝像、存儲、數(shù)碼相機(jī)等感光器件。4幾種國外CCD 圖像傳感器介紹4.1超高分辨力線陣CCD 圖像傳感器該CCD 圖像傳感器是由美國柯達(dá)公司研制, 成功用于高端掃描系統(tǒng)。該器件可應(yīng)用于高清晰度尺寸測量定位、傳真和光學(xué)文字識

21、別技術(shù)等方面。4.2幀轉(zhuǎn)移面型CCD 圖像傳感器由Philips 公司推出用于數(shù)碼相機(jī)的彩色幀轉(zhuǎn)移CCD( FT- CCD) , 型號為FXA1013, 分辨力為2 000×1 600, 芯片尺寸為9.49 mm×8.67 mm, 像素尺寸為4.1 m×4.1 m。4.3 低光度CCD 圖像傳感器 低光度圖像傳感器CCD60 采用讀出寄存器和輸出放大器間的增益寄存器, 增殖光電子多達(dá)1 000倍。采用背面減薄工藝, 分辨力為128×128 像素, 量子效率大于90%。CCD60 工作在反轉(zhuǎn)模式以抑制暗電流, 工作速度高達(dá)1000 f/s( 幀/秒) 。傳

22、感器的光譜范圍為4001 060 nm,填充系數(shù)為100%。在電荷域的片上增益能通過控制工作電壓來調(diào)整, 像素尺寸為24 m×24 m。4.4 高分辨力大面陣CCD 圖像傳感器Farchild Imaging 公司的CCD595 型9 216×9216像素大面陣全幀轉(zhuǎn)移CCD 圖像傳感器, 其像素尺寸為8.75m×8.75m, 成像面積為80.64 mm×80.64 mm。該CCD 圖像傳感器可應(yīng)用于攝像和高分辨力數(shù)碼相機(jī)。4.5 CCD485 固體全幀傳感器Farchild Imaging 公司的一種固體全幀轉(zhuǎn)移CCD圖像傳感器, 型號為CCD485,

23、 計劃用于科學(xué)、工業(yè)、商業(yè)的高清晰度數(shù)字成像應(yīng)用。其填充系數(shù)接近100%, 特點是成像區(qū)采用埋溝多針相工作模式。成像區(qū)分為4個象限,采用三相時鐘結(jié)構(gòu), 每一象限都可單獨時鐘驅(qū)動。該CCD的像素數(shù)為4096×4097，像素尺寸為15m×15m, 有效像素數(shù)為4080×4080，讀出噪聲低，動態(tài)范圍寬。4.6松下推出高速CCD 圖像傳感器松下推出的MN39192FH 是一種1330萬像素1/4SXGA CCD 圖像傳感器, 通過輔助片上的濾色鏡和光柵實現(xiàn)了速度高、靈敏度高等特性, 推動了小型高質(zhì)量數(shù)碼視頻攝像機(jī)的發(fā)展。該CCD 器件具有信噪比高、動態(tài)范圍寬等特點, 像

24、素尺寸為2.8m×2.8m。4.7 ITO- CCD 圖像傳感器大多數(shù)CCD圖像傳感器的電極材料均采用多晶硅薄膜，而多晶硅對藍(lán)光透射性很差，于是Kodak發(fā)明了氧化銦錫( ITO)電極。ITO- CCD對藍(lán)光是全透明的, 敏銳度更高，透光性比一般CCD提高了20%，ITO- CCD比傳統(tǒng)CCD的藍(lán)光透過率提高了2.5 倍，同時大幅度降低了噪聲干擾，使圖像質(zhì)量更好，為專業(yè)數(shù)碼相機(jī)提供了高清晰度、高質(zhì)量的圖像。至今Kodak公司已研制出200萬(1 736×1160) 像素、600萬(3032×2008)像素和1600萬(4000×4000)像素ITO- CCD圖像傳感器，KAF- 1602LE是Kodak公司推出的ITO- CCD型號之一。4.8 電子倍增CCD 圖像傳感器And