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1、6.2.1 CCD的电极结构：,CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构形式。,三相电阻海结构,二相硅-铝交叠栅结构,四电极结构：,定向转移的实现,在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。,一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。,定向转移的实现,通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。,当这
2、种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。,t2-t3时刻，1电压线性减小，1电极下势阱变浅， 2为高电平，2电极下形成深势阱，信号电荷从1电极向2电极转移，直到t3时刻，信号电荷全部转到2电极下。,重复上述过程，信息电荷从2电极转移到3电极，到t5时刻， 信号电荷全部转移到3电极下。,经过一个时钟周期，信号电荷包向右转移一级，t6时刻信号电荷全部转移4电极下。依次类推，信号电荷依次由1，2，3，4.N向右转移直至输出,移位寄存器,MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动。,三相CCD中电荷包的转移过程：,t1时刻，1为高电平， 2
3、 3为低电平，1电极下形成深势阱，储存电荷形成电荷包,信号转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。,右图:三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。 由图可见，在信号电荷包运行的前方总有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前连续运动。此外，还有一种(如两相时钟驱动)是利用电极不对称方法来实现势阱分布不对称，促使电荷包向前运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，必须远小于势阱的热弛豫时间，所以CCD 是在非平衡状态工作的一
4、种功能器件。,6.2.2 转移信道的结构,1. SCCD(表面CCD） 转移和存储信号电荷的势阱都在硅与氧化硅的界面处，电荷速度与转移效率低，主要原因为客观表面态迁移率的影响。 即在硅与氧化硅表面有Na 、K杂质离子，表面态上的离子可以接收电子，也可以发射电子，当电子至后续电荷包转移时，表面态发射电子的速度慢，导致电子跟不上信号电荷的转移速度，造成信号电荷的损失，所以转移效率降低，转移速度不能提高。,2.BCCD（埋沟CCD） 基底为P型，在硅表面注入杂质，使之形成N型薄层，在N型两端做上N+层，起源极与漏极的作用。在NP之间加反偏电压，使形成体内耗尽层，当与氧化层耗尽层相连通时，形成势阱。当
5、电子向势阱中聚焦时，耗尽层宽度减小，同样可以存储和转移电荷，如果施以栅极电压，势能曲线下降，P区耗尽层加宽，势能曲线下降，势阱加深，可以通过控制栅极达到电荷耦合。,BCCD与SCCD的区别 （1）BCCD中传递信息是电子是N层中的多子，SCCD是P层中的少子 （2）SCCD中的信息电荷集中在界面处很薄的反型层中，而BCCD的信息电荷集中在体内。 （3）BCCD转移电荷损失比SCCD小12个数量级，具有更好的转移效率。 （4）BCCD转移速度高。 （5）BCCD最大的优点是低噪声，主要原因是它消除了信号电子与表面态的相互作用。,6.3.3通道的横向限制,如果电极间距较大，势阱的形状会发生弯曲，会
6、使信号电荷露出，或使外电荷漏入，为了克服这一现象，在横向上，对势阱的范围进行限制，方法是形成一个高势能的位垒，将沟道与沟道之间隔开。 主要的方法： 1.加屏蔽电场 2.氧化层台阶法 3.沟阻扩散法,1.加屏蔽电场 在屏蔽电极上加与栅极极性相反的电压，从而形成感应电场，以吸收多子，造成多子在耗尽层内横向边界上的堆积，以限制耗尽层区的横向扩展。 2.氧化层台阶法 使耗尽层以外的氧化层加厚，保证它下面的半导体不会深耗尽，以起限制作用，氧化层越厚 ，则位能越浅。 3.沟阻扩散法 在同一栅极下，局部掺杂浓度不同，表面势不同，掺杂浓度越高，势阱越低，采用离子注入技术，使转移电极沿衬底浓度高于别处，形成P+
7、层，而且浓度变化要很陡峭，从而可以有力的限制沟道的宽度。,6.2.4 电荷的输入结构,光注入：正面和背面光照式,Qin=qNeoAtc,式中：为材料的量子效率；q为电子电荷量； Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。,CCD工作过程分三部分:信号输入、电荷转移和信号输出部分。,输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：光注入和电注入。,在滤波、延迟线和存储器应用情况,摄像应用,电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。,输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽
8、层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通道”流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。,电注入方法主要有： 1.动态电流积分法 2.二极管截止法 3.电位平衡法 基本的指导思想： 一、要保证电荷包大小同输入的电压成正比 二、要保证表面势的大小同输入电压成正比。,输入二极管加电位脉冲UD，输入栅极G1加恒定电压UCON，G2上加输入信号的电压 ， UD低电位时，称为采样，这时势阱被电子注满 UD变为高电位，即处于强反偏状态，这时G2下的多余电荷向二极管区倒流，直到G2下
9、的表面势与G1下的表面势达到平衡。,由于UG1上的电压是固定的，转移的电荷与与信号的电压成正比，当驱动脉冲过来之后，这些电荷会实现转移。 电位平衡法的优点： 电位平衡法不仅线性好，有信噪比，而且信号电荷在转移过程中，不会因为界面态及电荷转移不完全而使信号失真。电位平衡法消除了栅注入法所带来的随机噪声，它是目前表面CCD作为模拟信号处理较理想的方法。,6.2.5 输出部分 输出部分由输出二极管、输出栅和输出耦合电路组成，作用是将CCD最后 一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。,最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。,浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用，它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度(数百毫伏)，以及良好的线性和较低的输出阻抗。,（1）输出栅极中电平，,电压去掉，,电荷包向二极管中转移，D点电位升高，相当于电容充电，,（2）电压UD作为下一极T2管的栅电压，被放大检出。,（3）当复位脉冲变高电平后，电位直接D点，在下一个电荷到来之前，将所 有的电荷抽走，T2复位。,