DesignExpert響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例分析和CCD設(shè)計(jì)詳細(xì)教程

#CCD工作原理一個(gè)完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCDT作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)由光敏單元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少。取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。將輸出信號(hào)接到示波器、圖象顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，就可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。由于CCD光敏元可做得很?。s10um），所以它的圖彖分辨率很高。要了解CCD的原理，必須對(duì)半導(dǎo)體的基本知識(shí)有一些了解，可參見附錄。一.CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存貯電荷原理CCD的基本單元是MOS電容器，這種電容器能存貯電荷，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。以P型硅為例，在P型硅襯底上通過(guò)氧化在表面形成SiO2層，然后在SiO2上淀積一層金屬為柵極，P型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)金屬電極上施加正電用時(shí)，其電場(chǎng)能夠透過(guò)Si02絕緣層對(duì)這些載流子進(jìn)行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，剩下的帶負(fù)電的少數(shù)載流子在緊靠SiO2層形成負(fù)電荷層（耗盡層），電子一旦進(jìn)入由于電場(chǎng)作用就不能復(fù)出，故又稱為電子勢(shì)阱。當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過(guò)SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這時(shí)出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢(shì)阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的。光越強(qiáng)，勢(shì)阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢(shì)阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)即使停止光照一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的記憶。I帶號(hào)電衙I帶號(hào)電衙（b）圖1CCD結(jié)枸和工悵原瑾圖閭用作少數(shù)碗予上衫笙元田mos電寥卷訓(xùn)面創(chuàng)⑹敢5號(hào)◎衙的殄洙関上用瞬舷的京世代農(nóng)總之，上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是個(gè)微小的MOS電容，用它構(gòu)成彖素，既可“感光”又可留卞“潛影”，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子電荷積累，潛影是各個(gè)彖素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個(gè)電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經(jīng)過(guò)“顯影”就實(shí)現(xiàn)了圖象的傳遞。二電荷的轉(zhuǎn)移與傳輸CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器，它的表面由不透光的鋁層覆蓋，以實(shí)現(xiàn)光屏蔽。由上面討論可知，MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢(shì)阱愈深，當(dāng)外加電壓一定，勢(shì)阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小。利用這一特性，通過(guò)控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺。制造時(shí)將MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢(shì)阱相互“溝通二認(rèn)為相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠?。壳肮に嚳勺龅?.2um）,在信號(hào)電荷自感生電場(chǎng)的庫(kù)侖力推動(dòng)下，就可使信號(hào)電荷由淺處流向深處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移。為了保證信號(hào)電荷按確定路線轉(zhuǎn)移，通常HOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為嚴(yán)格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖。下面我們分別介紹三相和二相CCD結(jié)構(gòu)及工作原理。1.三相CCD傳輸原理簡(jiǎn)單的三相CCD結(jié)構(gòu)如圖2所示。每一級(jí)也叫一個(gè)像元，有三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)電極的所有電極（如1、4、7……,2、5.8……,3、6、9……）都接在一起，由3個(gè)相位相差120°的時(shí)鐘脈沖4）3來(lái)驅(qū)動(dòng)，故稱三相CCD,圖2（a）為斷面圖；圖（b）為俯視圖；圖（d）給出了三相時(shí)鐘之間的變化。在時(shí)刻5第一相時(shí)鐘4處于高電壓，4、機(jī)處于低壓。這時(shí)第一組電極1、4、7……下面形成深勢(shì)阱，在這些勢(shì)阱中可以貯存信號(hào)電荷形成“電荷包”，如圖（c）所示。在t：時(shí)刻b電壓線性減少，儀為高電壓，在第一組電極下的勢(shì)阱變淺，而第二組（2、5、8……）電極

下形成深勢(shì)阱，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移，直到S時(shí)刻，為高壓，輸、札為低壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。重復(fù)上述類似過(guò)程，信息電荷可從4轉(zhuǎn)移到快，然后從“3轉(zhuǎn)移到，電極下的勢(shì)阱中，當(dāng)三相時(shí)鐘電壓循環(huán)一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，電荷包向右轉(zhuǎn)移一級(jí)（一個(gè)(b)rAt3tlt2t3(b)rAt3tlt2t3t4(d)圖2三相CCD傳輸原理圖像元），依次類推，信號(hào)電荷一直由電極1、2、3……N向右移，直到輸出。2-二相CCD傳輸原理CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢(shì)阱的非對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)的?在三相CCD中是靠時(shí)鐘脈沖的時(shí)序控制，來(lái)形成非對(duì)稱勢(shì)阱?但采用不對(duì)稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進(jìn)不對(duì)稱勢(shì)勢(shì)阱，從而變成二相驅(qū)動(dòng)的CCD.目前實(shí)用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)?實(shí)現(xiàn)二相驅(qū)動(dòng)的方案有：階梯氧化層電極階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)參見圖3o由圖可見，此結(jié)構(gòu)中將一個(gè)電極分成二部分，其左邊部分電極下的氧化層比右邊的厚，則在同一電壓卜：左邊電極下的位阱淺，自動(dòng)起到了阻擋信號(hào)倒流的作用.設(shè)置勢(shì)壘注入?yún)^(qū)（圖4）對(duì)于給定的柵壓，位阱深度是摻雜濃度的函數(shù)?摻雜濃度高，則位阱淺?采用離子注入技術(shù)使轉(zhuǎn)移電極前沿卜?襯底濃度高于別處，則該處位阱就較淺，任何電荷包都將只向位阱的后沿方向移動(dòng)。（a）結(jié)構(gòu)示意（b）驅(qū)動(dòng)脈沖圖3采用階梯氧化層電極形成的二相結(jié)構(gòu)圖圖3采用階梯氧化層電極形成的二相結(jié)構(gòu)三.電荷讀出方法CCD的信號(hào)電荷讀出方法有兩種:輸出二極管電流法和浮置柵MOS放人器電壓法.圖5電荷讀岀方法<a>輸出二極管電流法(b)浮置柵MOS放大器電壓法(c)輸出級(jí)原理電路圖5(a)是在線列陣未端襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，當(dāng)二極管加反向偏置時(shí)，在PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生耗盡層。當(dāng)信號(hào)電荷通過(guò)輸岀柵0G轉(zhuǎn)移到二極管耗盡區(qū)時(shí),將作為二極管的少數(shù)載流子而形成反向電流輸出。輸出電流的人小與信息電荷人小成正比，并通過(guò)負(fù)載電阻Rl變?yōu)樾盘?hào)電壓U。輸出.圖5(b)是一種浮置柵MOS放人器讀取信息電荷的方法.MOS放人器實(shí)際是一個(gè)源極跟隨器，其柵極由浮置擴(kuò)散結(jié)收集到的信號(hào)電荷控制，所以源極輸出隨信號(hào)電荷變化?為了接收下一個(gè)“電荷包”的到來(lái)，必須將浮置柵的電壓恢復(fù)到初始狀態(tài)，故在MOS輸出管柵極上加一個(gè)MOS復(fù)位管。在復(fù)位管柵極上加復(fù)位脈沖g使復(fù)位管開啟，將信號(hào)電荷抽走,使浮置擴(kuò)散結(jié)復(fù)位.圖5(c)為輸出級(jí)原理電路，由于采用硅柵工藝制作浮置柵輸出管，口I使柵極等效電容C很小。如果Q電荷包的電荷為QA點(diǎn)等效電容為C,輸出電壓為Uo,A點(diǎn)的電位變化△U=—乙,因而可以得到比較人的輸出信號(hào)，起到放大器的作用，稱為浮置柵MOS放人器電壓法。圖7為TCD1206UD(注：這里的CCD型號(hào)與我們實(shí)驗(yàn)中用的稍有不同，但原理都一樣)的結(jié)構(gòu)示意圖，它為一雙通道二相驅(qū)動(dòng)的線陣CCD器件，共有2160個(gè)光敏元。奇數(shù)光敏元與其中一列移位寄存器相連，偶數(shù)光敏元與另一列移位寄存器相連。移位寄存器的像元數(shù)量與光敏光相同，相鄰像元中的一個(gè)與光敏元相連，并接如脈沖，另一個(gè)不直接與光敏元連接，接02脈沖，如圖4所示。圖8為各路脈沖的波形圖。SH信號(hào)加在轉(zhuǎn)移柵上。當(dāng)SH為高電平時(shí)，正值b為高電平。移位寄存器中的所有輸電極下均形成深勢(shì)阱，同時(shí)SH的高電平使光敏元MOS電容存儲(chǔ)勢(shì)阱與輪電極下的深勢(shì)阱溝通，光敏MOS電容中的信號(hào)電荷包迅速向上下兩列移位寄存器中與4連接的HOS電容轉(zhuǎn)移。SH為低電平時(shí)，光敏元與移位寄存器的連接中斷，此時(shí)光敏元在外界光照作用卞產(chǎn)生與光照對(duì)應(yīng)的電荷，而移位寄存器中的信號(hào)電荷在氛時(shí)鐘脈沖作用下由右向左轉(zhuǎn)移，在輸出端將上下兩列信號(hào)按原光敏元采集的順序合為一列后，由輸出端輸出。

0】圖70】圖7TCD1206UD結(jié)構(gòu)示意由于結(jié)構(gòu)上的安排，輸出電路首先輸出13個(gè)虛設(shè)單元的暗信號(hào)，再輸出51個(gè)喑信號(hào)，接著輸出2160個(gè)有效信號(hào)，之后再輸出10個(gè)暗電流信號(hào)，接卞去輸出兩個(gè)奇偶檢測(cè)信號(hào)，然后可輸出多余的暗電流信號(hào)。由于該器件為雙列并行傳輸?shù)钠骷?，所以在一個(gè)SH周期中至少要有1117個(gè)4>i脈沖，即Tsh>U17Tio4脈沖與4脈沖互為反相，即氛高電平時(shí)4為低電平，4為低電平時(shí)札為高電平。為復(fù)位信號(hào)，對(duì)于雙通道器件而言，它的周期是44的一半，即在一個(gè)?L（"脈沖周期內(nèi)有兩個(gè)機(jī)脈沖，且松的下降沿稍超前的變化前沿。&為像元同步脈沖，"c為行同步脈沖，用作CCD與其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備連接時(shí)作同步信號(hào)。Uo為輸出信號(hào)。卜積分H寸間——?SHrLTLrLrm_rLr0_mjmUULUJlJUULJLMULJL<54個(gè)啞兀■丄彳亍謝（1）<54個(gè)啞?！鰜A彳亍謝（1）（1）圖8各路脈沖波形圖單九〉nnTULn___一丄60個(gè)彳育匕彳詢訂

逮“丿AJJUJCa—223<5半導(dǎo)體的基本知識(shí)一、什么是半導(dǎo)體？在口常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，人家都知道，銀、銅、鋁、鐵等金屬材料是很容易導(dǎo)電的，叫做導(dǎo)體；而塑料、陶瓷.橡皮.石英玻璃等卻很不容易導(dǎo)電，盡管加很高的電壓，仍然基本上沒有電流,通常稱為電的絕緣體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能則介于導(dǎo)體和絕緣體之間。為什么會(huì)出現(xiàn)有的物質(zhì)容易導(dǎo)電，有的物質(zhì)不容易導(dǎo)電這種現(xiàn)彖呢？根本原因在于事物內(nèi)部的特性，在于物質(zhì)內(nèi)部原子與原子結(jié)合的方式以及原子本身的結(jié)構(gòu)，看其內(nèi)部運(yùn)載電荷的粒子（叫做載流子）的多少和運(yùn)動(dòng)速度的快慢。我們知道原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的，電子分幾層圍繞原子核作不停的運(yùn)動(dòng)。比較起來(lái)，金屬材料的外層電子受原子核的束縛力最小，因此有人量電子能夠掙脫原子核的束縛而成為自由電子。這些自由電子就成為運(yùn)載電荷的載流子，它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。所以金屬的導(dǎo)電性能良好。

絕緣材料中，原子的外層電子受原子核的束縛力很人，很不容易掙脫出來(lái)，因此形成自由電子的機(jī)會(huì)非常小。絕緣材料原子結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn)決定了它的導(dǎo)電性能很差。半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)比較特殊，其外層電子既不彖導(dǎo)體那樣容易掙脫，也不彖絕緣體那樣束縛很緊，這就決定了它的導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。二、半導(dǎo)體中的另一種載流子一空穴在半導(dǎo)體中不僅有電子這樣的載流子，而且還有另一種載流子一一空穴。那么什么叫空穴呢？首先讓我們來(lái)看半導(dǎo)體材料硅和銬的原子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它們的特點(diǎn)是最外層的電子都是四個(gè)。通常，原子的外層電子叫做價(jià)電子，有幾個(gè)價(jià)電子就叫幾價(jià)元素，所以硅和銬都是四價(jià)元素。(a)硅(Si)(a)硅(Si)原子給構(gòu)(b)豬(Ge)原子結(jié)構(gòu)圖1當(dāng)硅、銬等半導(dǎo)體材料制成單晶體時(shí)，其原子排列就由雜亂無(wú)章的狀態(tài)變成了非常整齊的狀態(tài)。其中，原子之間的距離都是相等的，約為2.35X104微米。每個(gè)原子最外層的四個(gè)電子，不僅受自身原子核的束縛，而且還與周I韋I相鄰的四個(gè)原子發(fā)生聯(lián)系。這時(shí)，每?jī)蓚€(gè)相鄰的原子之間都共有一對(duì)電子。電子對(duì)中的任何一個(gè)電子，一方面圍繞自身原子核運(yùn)動(dòng)，另一方面也時(shí)常出現(xiàn)在相鄰的原子所屬的軌道上，這樣的組合叫做共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如圖2(a)中所示?？昭昭ㄓ稍永碚摵蛯?shí)踐可以知道，每個(gè)原子的外層有八個(gè)電子屬于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是硅、銬的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是它們的外層共有電子所受到的束縛力并不象在絕緣體里那樣緊，在一定的溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，其中少數(shù)電子還是可能掙脫束縛而成為自由電子，形成為電子載流子。值得注意的是，共有電子在掙脫束縛成為自由電子后，同時(shí)留下了一個(gè)空位，見圖2(b)o有了這樣一個(gè)空位，附近的共有電子就很容易來(lái)進(jìn)行填補(bǔ)，從而形成共有電子的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是效果上還是現(xiàn)象上，都好象一個(gè)帶正電荷的空位子在移動(dòng)。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動(dòng)，就把這種運(yùn)動(dòng)叫做“空穴”運(yùn)動(dòng)，空位子叫做“空穴”。打個(gè)通俗的比方，好比人家坐在一起看節(jié)目，如果前面走了人出現(xiàn)一個(gè)空位，后面的人遞補(bǔ)空位向前坐，看起來(lái)就好象是空位子在向后運(yùn)動(dòng)一樣。顯然，這種空位的移動(dòng)同沒有座位的人到處走動(dòng)不一樣，后者好比是自由電子的運(yùn)動(dòng)，而有座位的人依次遞補(bǔ)空位的走動(dòng)則好比是空穴運(yùn)動(dòng)。由此可見，空穴也是一種載流子。當(dāng)半導(dǎo)體處于外加電壓作用之卞，通過(guò)它的電流可以看作是由兩部分組成：一部分是自由電子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)所形成的電子電流，另一部分是共有電子遞補(bǔ)空穴所形成的空穴電流。它們的區(qū)別是，電子電流是帶負(fù)電的電子的定向運(yùn)動(dòng)，而空穴(由于它的運(yùn)動(dòng)方向和電子相反)電流是帶正電的空穴的定向運(yùn)動(dòng)。所以，在半導(dǎo)體中，不僅有電子載流子，而且還有空穴載流子，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電的一個(gè)重要特性。由于物質(zhì)總是在不停地運(yùn)動(dòng)著，這就使得半導(dǎo)體里因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)而不斷產(chǎn)生自由電子，同時(shí)則出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的空穴。因此，電子和空穴總是相伴而生、成對(duì)出現(xiàn)的，我們稱之為電子■空穴對(duì)。另一方面，自由電子在運(yùn)動(dòng)中又會(huì)與空穴重新結(jié)合而消失，這是一種相反的過(guò)程，我們叫做復(fù)合。電子-空穴對(duì)又產(chǎn)生，又復(fù)合，這就是半導(dǎo)體里不斷進(jìn)行著的一對(duì)矛盾。在一定溫度條件下，這對(duì)矛盾可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)的平衡，這時(shí)，產(chǎn)生和復(fù)合的過(guò)程雖然仍在繼續(xù)不斷地進(jìn)行，但電子■空穴對(duì)卻始終維持一定的數(shù)目。三、P型和N型半導(dǎo)體上面分析的是純單晶半導(dǎo)體，在這種半導(dǎo)體里，雖然多了一種空穴載流子，但是，載流子的總數(shù)離開實(shí)際應(yīng)用的要求，也就是從具有良好導(dǎo)電能力的要求來(lái)看，還相差很遠(yuǎn)，所以其本身用處不人。半導(dǎo)體技術(shù)之所以能夠這樣迅速地發(fā)展，主要是由于人們能夠精確地控制半導(dǎo)體的電學(xué)特性，而所用的方法就是在純單晶半導(dǎo)體中摻入有用的雜質(zhì)，使其導(dǎo)電特性得到很人的改善，因而獲得了重要的用途。例如，硅單晶中摻入少量的硼，就使半導(dǎo)體中空穴載流子的數(shù)目劇增，導(dǎo)電特性人為加強(qiáng)。這是什么道理呢？讓我們來(lái)觀察圖