第七章 电荷转移器件

CompanyLogo第7章电荷转移器件刘乔阮雄飞2深耗尽状态和表面势阱Contents1MOS电容的瞬态特性2信号电荷的输运传输效率34电荷转移37.3MOS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。在形成反型层之前，半导体表面处于深耗尽状态。47.3MOS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。57.3MOS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。67.3MOS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，总表面的电荷为将式，(7-3-1）代入（7-3-2）得到(7-3-1）（7-3-2）（7-3-3）77.3MOS电容的瞬态特性解方程（7-3-3）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87.3MOS电容的瞬态特性公式(7-3-4)在CCD的设计中很重要。这是由于ψs标志着势阱的深度，同时,ψs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，ψs增加。(7-3-4）(7-3-5）(7-2-2）97.3MOS电容的瞬态特性在图7-4中以Na和X0作参数，把（7-3-4）作为V的函数画成曲线。由于（7-3-5）说明V随Qsig的增加而减少，所以表面势也是信号电荷量的函数。107.3MOS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,（7-2-2）和

可以推导出若测得Cgs，就可由此式计算出ψs，然后可以利用（7-3-4）和（7-3-5）计算出信号电荷。也就是说，可以通过考虑氧化层和耗尽层电容的充电估算信号电荷量。117.4

信号电荷的输运传输效率

当一个电荷束沿着CCD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η。留下的电荷所占比率称为转移失真率ε。

η+ε=1当信息电荷转移了N个电极之后，总的传输效率应为ηN，即转移N次之后的信号电荷量QN与原来的信息电荷量Q0之比为QN/Q0=ηN=(1−ε)N127.4

信号电荷的输运传输效率对于ε很小的情况，

实际CCD往往需要经过大于1000次的转移（即N>1000）,为了保证经过N次转移以后总的传输效率仍在百分之90以上，失真率必须达到10-4-10-5。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τ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−ε)N≈e-εN137.4

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.自感应电场力转移：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99）通过自感应电场力转移。147.4

信号电荷的输运传输效率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.

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。157.4

信号电荷的输运传输效率转移失真因素：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：167.4

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=10μm，D=10cm/s2,估算出τ=4×10-8秒。如果要求失真率ε<10-4，则要求时钟变化的周期T满足

177.4

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ε=10-4)，则时钟频率f不能高于式中L以微米作单位。如果L=10μm,上限频率只有560kHz。187.4

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。

197.4

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1015cm−3以及L=7µm，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207.4

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。

减小这种影响的办法除了采取一些工艺措施尽量减少界面