電荷耦合器件（CCD）的結構基本及工作原理

電荷耦合器件（CCD），是1970年提出來的一種MOS結構的新型器件，它是在集成電路平面工藝和半導體表面理論高度發展的基礎上提出來的。雖然稱它為器件，但并不是一般的分立器件，而是一種集成化的功能器件。由于它的結構簡單，集成度高，并且具有很獨特的功能，所以發展很快。電荷耦合器件的工作原理。目前已發展成為大規模集成電路的一個重要分支，用途越來起廣泛。在數字方面，主要是制作高位數的申行存貯器，用以取代計算機中笨重的外圍設備感盤和磁鼓，目前已制出了64K、128K位隨機存貯器。下面將介紹CCD的結構和基本原理，然后再介紹它的應用。

一、CCD結構及工作原理

1、CCD結構

CCD器件是由間隔極小的金屬-氧化物-半導體電容陣列構成的。圖4-24表示N溝道CCD的結構模型。它是在P型半導體Si表面，生長一層厚度約為100nm的優質二氧化硅層，然后再在SiO2，上面蒸發一層間距小于3μm，條長一般為4~5μm的金屬電極陣列。

2、CCD工作原理

（1）勢阱的形成 大家知道，MOS結構中半導體表面在外電場的作用下產生積累、耗盡和反型的性質，都是從定態過程分析的，面沒有考慮它的瞬態情況。如果施加在半導體表面是一個脈沖電壓，那末就要考慮MOS電容的瞬態特性及其弛豫過程。

如果在以P型Si為襯底的MOS結構的柵上，加一個足夠大的脈沖電壓（大于閥值電壓VT），由于在柵極下面的左右兩側，不存在高濃度的源漏擴散區，沒有大量的少子來源，所以半導體表面并不立刻出現強反型層。電荷耦合器件的工作原理。在脈沖電壓開始施加的一瞬間，Si表面的空穴被推斥，形成耗盡層。若加在柵上的脈沖電壓足夠大，則耗盡層的厚度和耗盡層電荷將會超過強反型點的厚度和耗盡層的電荷量，表面勢也將超過強反型時的表面勢。我們稱這和耗盡層為深耗盡。這時MOS電容處于一種非平衡狀態。如圖4-25（a）所示。在出現深耗盡時，表面電勢比平衡態時高，對電子來說，勢能更低，表面能級向下彎曲愈甚。我們把這外保耗盡層稱為勢阱。和PN結勢全區的情況相似，在耗盡區中存著產生-復合中心，所以將會不斷產生電子空穴對。這些電子、空穴在電場的作用下，將向兩邊漂移。電子趨向表面，空穴移向體內。這些電子在表面積累，漸漸形成反型層，空穴在體內積累，使耗盡層厚度減薄。經過一定的時間，MOS電容將達到一個新的平衡狀態。這時，耗盡層的厚度和無盡層空間電荷區電荷，與一般MOS晶體管處于開啟狀態的情況相同，即表面出現了電學合優勢的反型層溝道。我們稱這種情況為勢阱已被填滿。圖-25（b）表示勢阱已被填滿的清況。當勢阱填滿后，由于電場被表面的電子電荷所屏蔽，所以體內電場便減弱，表面處的電位也隨之下降，即電子勢能增高。

從非平衡狀態到平衡狀態有一個弛豫過程。在這個過程中，柵下面耗盡層的厚度、表面勢以及MOS電容都不斷變化，這個過程所需要的時間，與勢阱中電子-空穴對的產生率有關，也就是與表面處的少子壽命有關。少子壽命愈長，過渡到平衡狀態所需的時間也愈長。在常溫下，當少子壽為微秒數量級時，從非平衡狀態達到平微狀態所香的時間約為。

CCD是在非平衡條件下工作的器件。如果勢阱中沒有自由電子，我們說勢阱是空的，稱為空阱。在平衡態時，勢阱被電子填滿，我們說勢阱是滿的，稱為滿阱。勢阱由空到滿的過程，自由電荷數量是連續變化的，因此，在這個過程中，勢阱中的電荷量可以允許從零到平衡之間的任何值。勢阱中的自由電荷可以自身產生，也可以從講外引入。但必須注意，在非平衡狀態時，由于勢阱本身存在產生率，自由電荷將隨時間增加面增加。如用注入勢阱的電荷來表示信息時，為使不受熱產生電荷的干擾，信息電荷在一個勢阱中停留的時間不能太長。電荷耦合器件的工作原理。一般應比達到熱平衡狀態的時間短很多。

（2）電荷轉移 CCD器件之所以能應用于大規模集成電路，不僅能在脈沖電壓作用下，使硅表面形成勢阱，而更重要的是勢件中的電荷能在時鐘脈沖的作用下，從一個勢阱轉移到易一個勢阱。如果在相鄰的三個MOS電容上分別施加都壓這科就形成如虛線所示的耗盡層，其中第3電極下最深，電子勢能最低，第2電極下次之，第1電極下最淺，如圖4-26所示。假如原來在第2電極下面存貯著電子電荷，由于載流子具有向低勢能處轉移的特性，這時就會向第3電極下面轉移。結果存貯的電子電荷向右移動了一個柵極的位置。這就是MOS結構的電荷轉移效應。

CCD的基本原理，就是利用MOS結構非平衡狀態下電荷的存貯效應和轉移效應來存貯和處理信息的。

（3）三相CCD的電荷轉移 在P型Si上制作一排MOS電容，如圖4-27所示。圖中有9個電極，分別由時鐘脈沖控制。其中1、4、7由控制，2、5、8由控制，3、6、9由控制。三相時鐘脈沖的波形如圖4-27（d）所示，它們之間的相位差為T/3。

圖4-27（a）表示在時間瞬間勢阱的情況。這時處于最高電位而均處于低電位V1這樣，就在1、4、7三個電極下面形成勢阱。假若勢阱1、7已經引入電子電荷，而勢阱4是空的。由于1、7兩邊的勢壘較高，電荷不能向左右轉移，所以電荷被存貯在這兩個勢阱中間。

圖4-27（b）表示在時間a瞬間勢阱的情況。這時的電位下降到升到最高電位，而仍保持在低電位這樣，電極1、4、7上的電位就低于2、5、8的電位，結果造成1、4、7下面的勢阱淺于2、5、8下面的勢阱。于是2、5、8電極下面的電子勢能最低，原來在1、7兩勢阱中的電子就分別向右邊2、8兩勢阱轉移。而3、6、9下面的勢壘較高，既阻止了電子向右越位，又阻止了電荷向左倒流。由于原來的勢阱4空著的，所以無電荷轉移，因此勢阱5仍然是空的。

圖4-27（c）表示瞬間的勢阱情況。這時降到最低電位仍保持最高電位保持低電位。這樣，電荷完成了右移一個電極位置的任務。此時勢阱的情況與圖4-27（a）類似，只是深阱和電荷的位置都向右移了一個位置。

如果用勢阱中有無電荷來代表信息“1”和“0”。那么圖4-27（a）就表示著CCD器件存貯著信息“101”。在圖4-27（c）中，就表示CCD中所存的信息“101”向右移動了一個柵極的位置。按照上述規律，不斷地施加驅動脈沖，信息將自左向右或自右向左不斷移動。這就是三相CCD器件的電荷轉移方式。在電荷轉移過程中，一個柵傳送電荷，一個柵接受電荷，再一個柵阻止倒流。電荷耦合器件的工作原理。所以，三相CCD每存貯和轉移一位信息，需要三個柵協同控制。一個N位的CCD，應有3N個柵。每轉移一位（共三個柵），時鐘脈沖的相位變化一個周期T，轉移一個柵所需的時間是T/3。

CCD柵下轉移電荷的勢阱，也稱為溝道。用P型半導體做襯底，得到的是N溝道CCD。相反，用N型半導體做襯底，得到的是P溝道CCD。

由上面分析知道，在CCD中，前一位和后一位的耦合，完全是勢阱之間的耦合，不用其它聯線，因此，COD移位寄存器的布線就顯得格外簡單。

3、信息的輸入和輸出

（1）信息輸入 CCD器件輸入信息（又稱“寫入”）的方法通常有兩種，一種是PN結輸入另一種是光電輸入。圖4-28（a）（b）分別表示這兩種輸入電路的結構圖。

①PN結輸入 圖4-28（a）為CCD器件的PN結輸入電路，它在P型Si襯底上做一個N型擴散區，又稱為CCD的源，在擴散區的旁邊，做一個控制柵極。PN結輸入又可分為直接PN結輸入和控制柵輸入兩種。

a.直接PN結輸入 工作時，在輸入控制柵上加一個固定的正偏壓，使柵下形成一定的勢阱，在PN結加較大的反向偏壓，使PN結處于反偏，沒有載流子注入。如果輸入信息“1”以負脈沖的形式疊加到PN結輸入端上，使PN結右邊與控制柵下面勢阱交界處的側面變為正偏，于是信息電荷便注入到柵下面的勢阱中，并隨即被驅動柵所驅動。

b.控制柵輸入輸入PN結通常加較小的反向偏壓，輸入信息接在控制柵極上。如寫入“1”，便在控制柵上加較大的脈沖電壓，其幅度大于閥值電壓，使控制柵下面形成勢阱，并使PN結與勢阱交界部分變成正偏。于是信息電荷便注入到控制柵下面的勢阱中去。

②光電輸入 光電輸入是利用MOS結構的光電效應。當光照于半導體時，在勢阱及其附近，將會產生電子-空穴對，電子就作為信息電荷存貯于勢阱內，而室穴使離化了的妥主減少。如圖4-29所示。這樣，光信息就轉化為電信息，暫存于CCD內，然后再利用CCD的轉移效應對信息加以處理。光電注入有兩種方式，可從樣品背面光照，也可從正面光照。若從背面光照，樣品必須減薄，以減少襯底的吸收。電荷耦合器件的工作原理。但大面積的Si片要減得很薄是比較困難的。從正面光照，由于金屬柵對光有屏蔽作用，所以一般采用重摻雜的多晶硅代替金屬柵。CCD用于攝象時，都用光電輸入，而用于信息處理和存貯時，都用PN結輸入。

（2）信息輸出 圖4-30為CCD的輸出結構，它包括兩個控制柵極（輸出控制極和復位控制極）和兩個擴散區（輸出擴散極和復位擴散極）。信息電荷的讀出可有兩種方式，一是電流讀出，二是電壓讀出。

在采用電流讀出方式時，圖4-30（a）中后面的復位控制極與復位擴散極不用，但要在輸出擴散極上串聯一個負載電阻，電阻的另一端接電源正極，使擴散結處于反偏狀態，如圖4-30（b）所示。當信息電荷到達擴散結時，就被收集，同時在外回路產生電流。測量負載電阻上的電壓變化就可表明到達電荷量的多少。輸出控制極是用來控制收集到的電荷量的。它常加一個遠大于閥值電壓的固定偏壓，但要低于輸出擴散極的電壓。電流讀出方式雖然簡單，但CCD電極下的電荷量是很小的，滿阱的自由電荷量還不到10^-12C。所以檢到的信號電荷很小，必須用高靈敏度的放大器進行放大，然后再接到示波器上觀察。

在用電壓讀出方式時，輸出擴散區接MOS管的柵極，擴散極不加偏壓和串聯電阻，所以沒有直流通路，如圖4-30（c）所示。當被檢測的電荷到達擴散極時，擴散極的電位就發生變化，MOS管初極電位也引起變化，使MOS管的源-漏國路中產生相應的電流變化。電壓讀出方式比較靈敏，因為MOS管的柵電容很小，少量的電荷就能引起柵壓變化，所以很容易檢測。采用電壓讀出時，必須用復位電極。電荷耦合器件的工作原理。在每次檢測電荷后，應在復位柵上加復位正脈沖，收集的電荷便由復位擴散極泄放，使輸出擴散極恢復到原來的電位。復位擴散極常接固定正電壓，處于全片的最高電位。

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