高二物理 電荷的收集 MOS 電容器 競賽課件

電荷的收集MOS電容器電荷的收集MOS電容器

MOS電容器是所有MOS(金屬-氧化物-半導體)結構中最簡單的，它是CCD的構成基礎；弄清楚這種結構的原理對理解CCD的工作原理是非常有用的。

MOS電容器有二種類型：表面溝道和埋溝。這二種類型MOS電容器的制造只有些微地不同；然而，由于埋溝電容結構具有很多顯著的優(yōu)點，因此這種結構成了CCD制造工藝的首選。事實上今天制造的所有CCD幾乎都利用埋溝結構。電荷的生成CCD的量子效率QE是波長的函數TH7834響應曲線電荷的生成各種不同CCD的量子效率的比較思考：CCD的窗口玻璃影響性能嗎？為什么？電荷的收集

CCD工作過程的第二步是電荷的收集，是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。 為了收集電荷，必須制造一個收集區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量收集起來，而且保證所收集的電荷不被復合。

收集區(qū)：勢阱。電荷的收集MOS電容器二氧化硅電極N型硅P型硅光生電子－空穴對耗盡區(qū)

埋溝電容是在一個p-型襯底上建造的；在p-型襯底表面上形成一個n-型區(qū)(~1μm厚)；然后，生長出一層薄的二氧化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅層上用金屬或高摻雜的多晶硅制作電極或柵極；至此完成了MOS電容的制作。電子的勢能：q是電子的電荷量，而

為靜電勢2-6無偏置時，n-型層內含有多余的電子向p-型層擴散，p-型層內含有多余的空穴并向n-型層擴散；這個結構與二極管結的結構完全相同。上述的擴散產生了內部電場，在n-型層內電勢達到最大。np沿此線的電勢示于上圖.電勢CCD厚度方向的截面圖這種‘埋溝’結構的優(yōu)點是能使光生電荷離開CCD表面，因為在CCD表面缺欠多，光生電荷會被俘獲。這種結構還可以降低熱噪聲（暗電流）。電荷的收集MOS電容器電子勢能最小的地方位于n-型區(qū)內并與硅-二氧化硅(Si-SiO2)的交界面有一定距離這個勢能最小(或電位最高)的地方就是多余電子聚集的地方。CCD曝光時，每個像元有一個電極處于高電位。硅片中這個電極下的電勢將增大，成為光電子收集的地方，稱為勢阱。其附近的電極處于低電位，形成了勢壘，并確定了這個像元的邊界。像元水平方向上的邊界由溝阻確定。電荷的收集MOS電容器電勢電勢勢能勢能CCD曝光時，產生光生電荷，光生電荷在勢阱里收集。隨著電荷的增加，電勢將逐漸變低，勢阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達到飽和。勢阱能容納的最多電荷稱為滿阱電荷數。np電勢最大電勢區(qū)電荷的收集MOS電容器實際的埋溝結構埋溝結構的兩邊各有一個比較厚(~0.5-1.5μm)的場氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的p-型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢對柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢壘。電荷的收集MOS電容器柵極N型埋溝場氧化物溝阻P型襯底耗盡區(qū)信號電荷氧化物埋溝結構的MOS電容的主要特點是：能在單一電極之下的一個局部區(qū)域內產生勢阱；能調整或控制柵極下面的勢能；儲存電荷的位置(勢能最小處)離Si-Si02交界面有一定的距離；低的暗電流使其能夠長時間的儲存信號電荷(取決于工作條件可以從數十秒到數小時)；所收集的電荷可以通過光照、電注入等產生；能快速地將電荷從一個電極之下的一個位置轉移到下一個鄰近的電極下面，而且損失非常低。電荷的收集MOS電容器像元邊界電荷包p-型硅n-型硅SiO2絕緣層電極結構像元邊界入射的光子

光子入射到CCD中產生電子空穴對，電子向器件中電勢最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個電荷包對應一個像元。電荷的收集電荷收集的效率與電勢的分布、復合壽命和擴散長度有關。電荷的收集

復合壽命 由光子激發(fā)出的電子在重新躍