第七章 电荷转移器件

1、Company LogoCompany Logo第第7 7章章 电荷转移器件电荷转移器件刘乔阮雄飞Company LogoCompany Logo2深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱Contents1MOSMOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性2信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率34电荷转移电荷转移Company LogoCompany Logo37.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性 在电荷耦合器件紧密排布的MOS电容器上施加电压脉冲就产生势阱。少数载流子的存贮和输送就是在这些势阱之间进行的。给下图所示的MOS电容器加上正的栅偏压，在栅的下边形成耗尽层。在形成反

2、型层之前，半导体表面处于深耗尽状态。Company LogoCompany Logo47.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性 在深耗尽状态，耗尽层内将产生电子-空穴对。在耗尽层电场作用下，电子向半导体表面漂移，空穴向半导体体内漂移。进入体内的空穴中和电离受主，使耗尽层变窄。 电子向半导体表面漂移使表面电子浓度不断增加引起电子从表面向体内扩散，同时抵制电子向半导体表面的漂移。结果是漂移不断减弱，扩散不断加强，最终达到漂移流和扩散流相等的动态平衡-热平衡。达到热平衡所需要的时间即为热弛豫时间。Company LogoCompany Logo57.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态

3、特性电容的瞬态特性（b）在t=0+时深耗尽情况下的能带图和电荷分布;（c）热平衡时（ t=）的能带图和电荷分布。Company LogoCompany Logo67.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性 由于实用势阱不是处于饱合条件下，所以CCD器件基本上是一种动态器件。电荷可以存储在其中，存储的时间要比热弛豫时间短得多。 在加有信号电荷Qsig之后，总表面的电荷为2ssddxqN 将式 ，(7-3-1）代入（7-3-2）得到(7-3-1）（7-3-2）（7-3-3）Company LogoCompany Logo77.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性解方程

4、（7-3-37-3-3）求得表面势式中信号在电荷在氧化层上产生电压降，它使表面势降低0sigsQCCompany LogoCompany Logo87.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性 公式(7-3-4)在CCDCCD的设计中很重要。这是由于s标志着势阱的深度，同时,s的梯度支配着少数载流子的运动。 从下列三个式子中可以看出，表面势由衬底掺杂浓度Na以及决定C0的氧化层厚度x0所控制。若令V为常数，则当Na和x0减少时，s增加。(7-3-4）(7-3-5）(7-2-2）Company LogoCompany Logo97.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性

5、 在图7-47-4中以N Na a和X X0 0作参数，把（7-3-47-3-4）作为V V的函数画成曲线。由于（7-3-57-3-5）说明V V随Q Qsigsig的增加而减少，所以表面势也是信号电荷量的函数。Company LogoCompany Logo107.3 MOS7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性 在栅电极和衬底之间的电容是氧化层电容与耗尽层 电容的串联组合。利用 , ,（7-2-27-2-2）和 可以推导出0111sCCC 若测得C Cgsgs，就可由此式计算出s s，然后可以利用（7-7-3-43-4）和（7-3-57-3-5）计算出信号电荷。也就是说，可以通过考虑氧

6、化层和耗尽层电容的充电估算信号电荷量。Company LogoCompany Logo117.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率 当一个电荷束沿着CCDCCD移动时，每次转移总要在后边留下小部分电荷。从一个势阱转移到下一个势阱的电荷所占的比率称为传输效率或转移效率。留下的电荷所占比率称为转移失真率。 + +=1=1 当信息电荷转移了N N个电极之后，总的传输效率应为N，即转移N N次之后的信号电荷量Q QN N与原来的信息电荷量Q Q0 0之比为QN / Q0 = N= (1 )NCompany LogoCompany Logo127.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电

7、荷的输运传输效率对于很小的情况， 实际CCDCCD往往需要经过大于10001000次的转移（即N1000N1000）, ,为了保证经过N N次转移以后总的传输效率仍在百分之9090以上，失真率必须达到1010-4-4- -1010-5-5。 实验上观察到大部分电荷表现为迅速转移，但总电荷束的一小部分b以时间常数指数式地较慢地转移。因此，较慢的电荷转移限制着器件的频率特性，且转移效率遵守 QN/Q0= (1)Ne-NCompany LogoCompany Logo137.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率信息电荷的转移机制和转移失真因素 ：信息电荷的转移机制：1.1.自感应电

8、场力转移：在刚开始，电荷束非常密集并被限定于局部，在势阱边缘有大的浓度梯度。这时电子间的强排斥力-自感应电场力对电荷转移起主要作用。电荷束中相当大的一部分（百分之9999）通过自感应电场力转移。Company LogoCompany Logo147.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率2.2. 通过热扩散转移：对于小量的信号电荷，信号电荷的转移受热扩散所支配。3.3. 通过边缘场漂移转移：边缘场就是临近电极加的栅压形成的电场。边缘场对信号电荷有吸引作用，将加速电荷的转移。Company LogoCompany Logo157.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输

9、效率转移失真因素 ：1.1.对于少量的信号电荷，信号电荷的转移受热扩散所支配。这种机制使转移电极下的电荷e指数地衰减，它的时间常数由下式确定 式中D为载流子的扩散系数，L为电极长度。 如果转移电极上的时钟脉冲电压变化太快，电荷来不及完全转移而留在原势阱中。这样就会造成转移效率的降低。信号电荷转移的弛豫时间：Company LogoCompany Logo167.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率 为了保证一定的转移效率，时钟电压就有一个上限频率。例如电极长度L=10m，D=10cm/s2,估算出=410-8秒。如果要求失真率10-4，则要求时钟变化的周期T满足41010Te

10、e Company LogoCompany Logo177.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率 在三相P沟道CCD中，对于单独通过热扩散引起的电荷转移，如果表面空穴采用D=6.75cm/s2，在频率为f的每个周期中移去电荷的百分之99.99(失真率=10-4)，则时钟频率f不能高于式中L以微米作单位。如果L=10m,上限频率只有560kHz。Company LogoCompany Logo187.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率 实际上，由于边缘场的加速作用，上限频率要比这高得多，如达到10MHz。 电荷转移过程可以通过建立电极之间的边缘场(使之指向电

11、荷沿沟道传播的方向)得到加速。边缘场就是临近电极加的栅压所形成的电场。 Company LogoCompany Logo197.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率 在虚线以上，通过边缘场移去信号电荷花费的时间较长，因此热扩散的效果起支配作用。 在虚线以下，电荷是通过边缘场转移的，因此，若衬底掺杂为 1015cm3以及L=7m，在10MHz的时钟频率下得到百分之99.99的电荷转移。图7-5 对于各种衬底掺杂浓度，转移效率 到99.99%所需要的时间与栅长度的关系Company LogoCompany Logo207.47.4 信号电荷的输运传输效率信号电荷的输运传输效率2.界面态复合陷阱：硅和二氧化硅界面处存在界面态，它们构成信号电荷俘获和复合的陷阱，这是电荷耗损的重要因素