第五章 固体成像器件及成像系统 光电成像课件

第五章

固体成像器件及成像系统CCD物理基础及工作原理CCD结构及特性CCD成像原理及工作方式电视型光电成像系统及设计光电成像原理1CCD物理基础及工作原理——按一定规律排列的MOS电容器阵列组成的移位寄存器CCD器件结构输入主体输出ViVo主体部分：密集的MOS阵列输入部分：完成输入信号电压到信号电荷的转换输出部分：完成信号电荷到输出信号电压(电流)的转换CCD器件的分类数字模拟成像SCCD光电成像原理2BCCD四相三相二相单相CCD成像器件光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器数据面显微照片光电成像原理3MOS结构及其特点P－SiSiO2Al电极Vg三层结构：金属栅电极、氧化物绝缘层、半导体衬底半导体衬底：P型硅衬底、N型硅衬底栅电极偏压决定MOS电容状态(1)稳态下的MOS电容器无偏压状态平带状态Al光电成像原理4P-SiEcEiEFPEvEFMSiO2金属界面感生负电荷，吸引半导体衬底中空穴（多子、正电荷）移动到半导体表面交流响应时间多子积累状态负偏压状态半导体表面处空穴浓度高于体内，呈现表面多子积累在Vg上叠加交流小信号，积累在半导体表面的空穴数随交流信号的变化而变化MOS电容值AlP-SiEcEiEFPEveVgEFMeVS半导体表面势光电成像原理5表面处能带向上弯曲金属界面感生正电荷，排斥半导体表面空穴到衬底，表面处留下负离子，形成空间电荷区正偏压状态半导体表面处空穴浓度低于体内，呈现表面多子耗尽耗尽层电位分布金属 P-Si多子耗尽状态EcEiEFPEveVgEFM

eVS半导体表面势光电成像原理6空间电荷区负电荷密度表面处能带向下弯曲半导体表面势耗尽层厚度耗尽层电荷量栅电压SiO2

层压降光电成像原理7MOS电容值MOS电容与栅电压的关系半导体表面能级继续下弯，表面处电子浓度增加，超过表面空穴浓度，称为“反型”弱反型——表面电子浓度等于空穴浓度金属P-SiEcEiEFPEveVgE

FMeVS反型状态光电成像原理8强反型——表面电子浓度超过体内空穴浓度表面电子浓度强反型条件半导体衬底掺杂浓度

NA越高，半导体表面越不易反型体内空穴浓度金属P-SiEcEiEFPEveVgEFMeVSeF光电成像原理9强反型状态的耗尽层厚度强反型状态耗尽层电荷量强反型状态SiO2上的压降强反型状态的阈值电压

NA越高，Vth越大，Cox越小，Vth越大光电成像原理10反型层是半导体表面的一个薄层，集中了较多的可动电荷，导电能力较强，称为导电沟道。P型半导体的表面反型层是由电子构成的，称为N沟道。N型半导体称为P沟道。说明：上面所讨论的是理想MOS结构稳态时的情况。由于金属电极与半导体之间存在功函数差、Si－SiO2

接触面存在界面电荷以及由于SiO2

沾污产生的可动离子电荷等等，导致Si半导体表面能带向下弯曲。在金属栅极上施加一个负电压VFB－－平带电压，使能带恢复平直。实际上MOS系统在金属栅极上所加电压的有效值为光电成像原理11Vg

≥

Vth表面反型层的建立需要热弛豫时间。通常热弛豫时间可达数秒以上。建立初期，半导体处于深耗尽状态，耗尽层厚度xd和表面势

Vs大于稳态，表面形成空的电子势阱，MOS处于非平衡态。耗尽层中热激发产生电子-空穴对，电子进入势阱，集中于半导体表面，降低表面势；空穴流入衬底，减薄耗尽层。反型层建立MOS强反型的特点光电成像原理12(2)MOS电容器电荷存储原理——非稳态下的MOS电容器半导体处于深耗尽状态，耗尽层从表面延伸至体内较深处，形成空的电子势阱。光注入或电注入产生的信号电子进入势阱，形成信号电荷。同时，耗尽层与表面的电子－空穴对提供的电子也会进入势阱。随着电子的填充，势阱中的电子数量增加，势阱变浅，表面势下降。表