电荷耦合器件（CCD）的结构基本及工作原理

电荷耦合器件（CCD），是1970年提出来的一种MOS结构的新型器件，它是在集成电路平面工艺和半导体表面理论高度发展的基础上提出来的。虽然称它为器件，但并不是一般的分立器件，而是一种集成化的功能器件。由于它的结构简单，集成度高，并且具有很独特的功能，所以发展很快。电荷耦合器件的工作原理。目前已发展成为大规模集成电路的一个重要分支，用途越来起广泛。在数字方面，主要是制作高位数的申行存贮器，用以取代计算机中笨重的外围设备感盘和磁鼓，目前已制出了64K、128K位随机存贮器。下面将介绍CCD的结构和基本原理，然后再介绍它的应用。

一、CCD结构及工作原理

1、CCD结构

CCD器件是由间隔极小的金属-氧化物-半导体电容阵列构成的。图4-24表示N沟道CCD的结构模型。它是在P型半导体Si表面，生长一层厚度约为100nm的优质二氧化硅层，然后再在SiO2，上面蒸发一层间距小于3μm，条长一般为4~5μm的金属电极阵列。

2、CCD工作原理

（1）势阱的形成 大家知道，MOS结构中半导体表面在外电场的作用下产生积累、耗尽和反型的性质，都是从定态过程分析的，面没有考虑它的瞬态情况。如果施加在半导体表面是一个脉冲电压，那末就要考虑MOS电容的瞬态特性及其弛豫过程。

如果在以P型Si为衬底的MOS结构的栅上，加一个足够大的脉冲电压（大于阀值电压VT），由于在栅极下面的左右两侧，不存在高浓度的源漏扩散区，没有大量的少子来源，所以半导体表面并不立刻出现强反型层。电荷耦合器件的工作原理。在脉冲电压开始施加的一瞬间，Si表面的空穴被推斥，形成耗尽层。若加在栅上的脉冲电压足够大，则耗尽层的厚度和耗尽层电荷将会超过强反型点的厚度和耗尽层的电荷量，表面势也将超过强反型时的表面势。我们称这和耗尽层为深耗尽。这时MOS电容处于一种非平衡状态。如图4-25（a）所示。在出现深耗尽时，表面电势比平衡态时高，对电子来说，势能更低，表面能级向下弯曲愈甚。我们把这外保耗尽层称为势阱。和PN结势全区的情况相似，在耗尽区中存着产生-复合中心，所以将会不断产生电子空穴对。这些电子、空穴在电场的作用下，将向两边漂移。电子趋向表面，空穴移向体内。这些电子在表面积累，渐渐形成反型层，空穴在体内积累，使耗尽层厚度减薄。经过一定的时间，MOS电容将达到一个新的平衡状态。这时，耗尽层的厚度和无尽层空间电荷区电荷，与一般MOS晶体管处于开启状态的情况相同，即表面出现了电学合优势的反型层沟道。我们称这种情况为势阱已被填满。图-25（b）表示势阱已被填满的清况。当势阱填满后，由于电场被表面的电子电荷所屏蔽，所以体内电场便减弱，表面处的电位也随之下降，即电子势能增高。

从非平衡状态到平衡状态有一个弛豫过程。在这个过程中，栅下面耗尽层的厚度、表面势以及MOS电容都不断变化，这个过程所需要的时间，与势阱中电子-空穴对的产生率有关，也就是与表面处的少子寿命有关。少子寿命愈长，过渡到平衡状态所需的时间也愈长。在常温下，当少子寿为微秒数量级时，从非平衡状态达到平微状态所香的时间约为。

CCD是在非平衡条件下工作的器件。如果势阱中没有自由电子，我们说势阱是空的，称为空阱。在平衡态时，势阱被电子填满，我们说势阱是满的，称为满阱。势阱由空到满的过程，自由电荷数量是连续变化的，因此，在这个过程中，势阱中的电荷量可以允许从零到平衡之间的任何值。势阱中的自由电荷可以自身产生，也可以从讲外引入。但必须注意，在非平衡状态时，由于势阱本身存在产生率，自由电荷将随时间增加面增加。如用注入势阱的电荷来表示信息时，为使不受热产生电荷的干扰，信息电荷在一个势阱中停留的时间不能太长。电荷耦合器件的工作原理。一般应比达到热平衡状态的时间短很多。

（2）电荷转移 CCD器件之所以能应用于大规模集成电路，不仅能在脉冲电压作用下，使硅表面形成势阱，而更重要的是势件中的电荷能在时钟脉冲的作用下，从一个势阱转移到易一个势阱。如果在相邻的三个MOS电容上分别施加都压这科就形成如虚线所示的耗尽层，其中第3电极下最深，电子势能最低，第2电极下次之，第1电极下最浅，如图4-26所示。假如原来在第2电极下面存贮着电子电荷，由于载流子具有向低势能处转移的特性，这时就会向第3电极下面转移。结果存贮的电子电荷向右移动了一个栅极的位置。这就是MOS结构的电荷转移效应。

CCD的基本原理，就是利用MOS结构非平衡状态下电荷的存贮效应和转移效应来存贮和处理信息的。

（3）三相CCD的电荷转移 在P型Si上制作一排MOS电容，如图4-27所示。图中有9个电极，分别由时钟脉冲控制。其中1、4、7由控制，2、5、8由控制，3、6、9由控制。三相时钟脉冲的波形如图4-27（d）所示，它们之间的相位差为T/3。

图4-27（a）表示在时间瞬间势阱的情况。这时处于最高电位而均处于低电位V1这样，就在1、4、7三个电极下面形成势阱。假若势阱1、7已经引入电子电荷，而势阱4是空的。由于1、7两边的势垒较高，电荷不能向左右转移，所以电荷被存贮在这两个势阱中间。

图4-27（b）表示在时间a瞬间势阱的情况。这时的电位下降到升到最高电位，而仍保持在低电位这样，电极1、4、7上的电位就低于2、5、8的电位，结果造成1、4、7下面的势阱浅于2、5、8下面的势阱。于是2、5、8电极下面的电子势能最低，原来在1、7两势阱中的电子就分别向右边2、8两势阱转移。而3、6、9下面的势垒较高，既阻止了电子向右越位，又阻止了电荷向左倒流。由于原来的势阱4空着的，所以无电荷转移，因此势阱5仍然是空的。

图4-27（c）表示瞬间的势阱情况。这时降到最低电位仍保持最高电位保持低电位。这样，电荷完成了右移一个电极位置的任务。此时势阱的情况与图4-27（a）类似，只是深阱和电荷的位置都向右移了一个位置。

如果用势阱中有无电荷来代表信息“1”和“0”。那么图4-27（a）就表示着CCD器件存贮着信息“101”。在图4-27（c）中，就表示CCD中所存的信息“101”向右移动了一个栅极的位置。按照上述规律，不断地施加驱动脉冲，信息将自左向右或自右向左不断移动。这就是三相CCD器件的电荷转移方式。在电荷转移过程中，一个栅传送电荷，一个栅接受电荷，再一个栅阻止倒流。电荷耦合器件的工作原理。所以，三相CCD每存贮和转移一位信息，需要三个栅协同控制。一个N位的CCD，应有3N个栅。每转移一位（共三个栅），时钟脉冲的相位变化一个周期T，转移一个栅所需的时间是T/3。

CCD栅下转移电荷的势阱，也称为沟道。用P型半导体做衬底，得到的是N沟道CCD。相反，用N型半导体做衬底，得到的是P沟道CCD。

由上面分析知道，在CCD中，前一位和后一位的耦合，完全是势阱之间的耦合，不用其它联线，因此，COD移位寄存器的布线就显得格外简单。

3、信息的输入和输出

（1）信息输入 CCD器件输入信息（又称“写入”）的方法通常有两种，一种是PN结输入另一种是光电输入。图4-28（a）（b）分别表示这两种输入电路的结构图。

①PN结输入 图4-28（a）为CCD器件的PN结输入电路，它在P型Si衬底上做一个N型扩散区，又称为CCD的源，在扩散区的旁边，做一个控制栅极。PN结输入又可分为直接PN结输入和控制栅输入两种。

a.直接PN结输入 工作时，在输入控制栅上加一个固定的正偏压，使栅下形成一定的势阱，在PN结加较大的反向偏压，使PN结处于反偏，没有载流子注入。如果输入信息“1”以负脉冲的形式叠加到PN结输入端上，使PN结右边与控制栅下面势阱交界处的侧面变为正偏，于是信息电荷便注入到栅下面的势阱中，并随即被驱动栅所驱动。

b.控制栅输入输入PN结通常加较小的反向偏压，输入信息接在控制栅极上。如写入“1”，便在控制栅上加较大的脉冲电压，其幅度大于阀值电压，使控制栅下面形成势阱，并使PN结与势阱交界部分变成正偏。于是信息电荷便注入到控制栅下面的势阱中去。

②光电输入 光电输入是利用MOS结构的光电效应。当光照于半导体时，在势阱及其附近，将会产生电子-空穴对，电子就作为信息电荷存贮于势阱内，而室穴使离化了的妥主减少。如图4-29所示。这样，光信息就转化为电信息，暂存于CCD内，然后再利用CCD的转移效应对信息加以处理。光电注入有两种方式，可从样品背面光照，也可从正面光照。若从背面光照，样品必须减薄，以减少衬底的吸收。电荷耦合器件的工作原理。但大面积的Si片要减得很薄是比较困难的。从正面光照，由于金属栅对光有屏蔽作用，所以一般采用重掺杂的多晶硅代替金属栅。CCD用于摄象时，都用光电输入，而用于信息处理和存贮时，都用PN结输入。

（2）信息输出 图4-30为CCD的输出结构，它包括两个控制栅极（输出控制极和复位控制极）和两个扩散区（输出扩散极和复位扩散极）。信息电荷的读出可有两种方式，一是电流读出，二是电压读出。

在采用电流读出方式时，图4-30（a）中后面的复位控制极与复位扩散极不用，但要在输出扩散极上串联一个负载电阻，电阻的另一端接电源正极，使扩散结处于反偏状态，如图4-30（b）所示。当信息电荷到达扩散结时，就被收集，同时在外回路产生电流。测量负载电阻上的电压变化就可表明到达电荷量的多少。输出控制极是用来控制收集到的电荷量的。它常加一个远大于阀值电压的固定偏压，但要低于输出扩散极的电压。电流读出方式虽然简单，但CCD电极下的电荷量是很小的，满阱的自由电荷量还不到10^-12C。所以检到的信号电荷很小，必须用高灵敏度的放大器进行放大，然后再接到示波器上观察。

在用电压读出方式时，输出扩散区接MOS管的栅极，扩散极不加偏压和串联电阻，所以没有直流通路，如图4-30（c）所示。当被检测的电荷到达扩散极时，扩散极的电位就发生变化，MOS管初极电位也引起变化，使MOS管的源-漏国路中产生相应的电流变化。电压读出方式比较灵敏，因为MOS管的栅电容很小，少量的电荷就能引起栅压变化，所以很容易检测。采用电压读出时，必须用复位电极。电荷耦合器件的工作原理。在每次检测电荷后，应在复位栅上加复位正脉冲，收集的电荷便由复位扩散极泄放，使输出扩散极恢复到原来的电位。复位扩散极常接固定正电压，处于全片的最高电位。

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