1、Company LogoCompany Logo第第7 7章章 電荷轉移器件電荷轉移器件劉喬阮雄飛Company LogoCompany Logo2深耗盡狀態和表面勢阱深耗盡狀態和表面勢阱Contents1MOSMOS電容的瞬態特性電容的瞬態特性2信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率34電荷轉移電荷轉移Company LogoCompany Logo37.3 MOS7.3 MOS電容的瞬態特性電容的瞬態特性 在電荷耦合器件緊密排布的MOS電容器上施加電壓脈沖就產生勢阱。少數載流子的存貯和輸送就是在這些勢阱之間進行的。給下圖所示的MOS電容器加上正的柵偏壓，在柵的下邊形成耗盡層。在形成反

2、型層之前，半導體表面處于深耗盡狀態。Company LogoCompany Logo47.3 MOS7.3 MOS電容的瞬態特性電容的瞬態特性 在深耗盡狀態，耗盡層內將產生電子-空穴對。在耗盡層電場作用下，電子向半導體表面漂移，空穴向半導體體內漂移。進入體內的空穴中和電離受主，使耗盡層變窄。 電子向半導體表面漂移使表面電子濃度不斷增加引起電子從表面向體內擴散，同時抵制電子向半導體表面的漂移。結果是漂移不斷減弱，擴散不斷加強，最終達到漂移流和擴散流相等的動態平衡-熱平衡。達到熱平衡所需要的時間即為熱弛豫時間。Company LogoCompany Logo57.3 MOS7.3 MOS電容的瞬態

3、特性電容的瞬態特性（b）在t=0+時深耗盡情況下的能帶圖和電荷分布;（c）熱平衡時（ t=）的能帶圖和電荷分布。Company LogoCompany Logo67.3 MOS7.3 MOS電容的瞬態特性電容的瞬態特性 由于實用勢阱不是處于飽合條件下，所以CCD器件基本上是一種動態器件。電荷可以存儲在其中，存儲的時間要比熱弛豫時間短得多。 在加有信號電荷Qsig之后，總表面的電荷為2ssddxqN 將式 ，(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電容的瞬態特性電容的瞬態特性解方程

4、（7-3-37-3-3）求得表面勢式中信號在電荷在氧化層上產生電壓降，它使表面勢降低0sigsQCCompany LogoCompany Logo87.3 MOS7.3 MOS電容的瞬態特性電容的瞬態特性 公式(7-3-4)在CCCCD D的設計中很重要。這是由于s標志著勢阱的深度，同時,s的梯度支配著少數載流子的運動。 從下列三個式子中可以看出，表面勢由襯底摻雜濃度Na以及決定C0的氧化層厚度x0所控制。若令V為常數，則當Na和x0減少時，s增加。(7-3-4）(7-3-5）(7-2-2）Company LogoCompany Logo97.3 MOS7.3 MOS電容的瞬態特性電容的瞬態特

5、性 在圖7-47-4中以N Na a和X X0 0作參數，把（7-3-47-3-4）作為V V的函數畫成曲線。由于（7-3-57-3-5）說明V V隨Q Qsigsig的增加而減少，所以表面勢也是信號電荷量的函數。Company LogoCompany Logo107.3 MOS7.3 MOS電容的瞬態特性電容的瞬態特性 在柵電極和襯底之間的電容是氧化層電容與耗盡層 電容的串聯組合。利用 , ,（7-2-27-2-2）和 可以推導出0111sCCC 若測得C Cgsgs，就可由此式計算出s s，然后可以利用（7-7-3-3-4 4）和（7-3-7-3-5 5）計算出信號電荷。也就是說，可以通過

6、考慮氧化層和耗盡層電容的充電估算信號電荷量。Company LogoCompany Logo117.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率 當一個電荷束沿著CCDCCD移動時，每次轉移總要在后邊留下小部分電荷。從一個勢阱轉移到下一個勢阱的電荷所占的比率稱為傳輸效率或轉移效率。留下的電荷所占比率稱為轉移失真率。 + +=1=1 當信息電荷轉移了N N個電極之后，總的傳輸效率應為N，即轉移N N次之后的信號電荷量Q QN N與原來的信息電荷量Q Q0 0之比為QN / Q0 = N= (1 )NCompany LogoCompany Logo127.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸

7、效率信號電荷的輸運傳輸效率對于很小的情況， 實際CCDCCD往往需要經過大于10001000次的轉移（即N1000N1000）, ,為了保證經過N N次轉移以后總的傳輸效率仍在百分之9090以上，失真率必須達到1010-4-4- -1010-5-5。 實驗上觀察到大部分電荷表現為迅速轉移，但總電荷束的一小部分b以時間常數指數式地較慢地轉移。因此，較慢的電荷轉移限制著器件的頻率特性，且轉移效率遵守 QN/Q0= (1)Ne-NCompany LogoCompany Logo137.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率信息電荷的轉移機制和轉移失真因素 ：信息電荷的轉移機制：1.

8、1.自感應電場力轉移：在剛開始，電荷束非常密集并被限定于局部，在勢阱邊緣有大的濃度梯度。這時電子間的強排斥力-自感應電場力對電荷轉移起主要作用。電荷束中相當大的一部分（百分之9999）通過自感應電場力轉移。Company LogoCompany Logo147.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率2 2. . 通過熱擴散轉移：對于小量的信號電荷，信號電荷的轉移受熱擴散所支配。3 3. . 通過邊緣場漂移轉移：邊緣場就是臨近電極加的柵壓形成的電場。邊緣場對信號電荷有吸引作用，將加速電荷的轉移。Company LogoCompany Logo157.7.4 4 信號電荷的輸運傳

9、輸效率信號電荷的輸運傳輸效率轉移失真因素 ：1.1.對于少量的信號電荷，信號電荷的轉移受熱擴散所支配。這種機制使轉移電極下的電荷e指數地衰減，它的時間常數由下式確定 式中D為載流子的擴散系數，L為電極長度。 如果轉移電極上的時鐘脈沖電壓變化太快，電荷來不及完全轉移而留在原勢阱中。這樣就會造成轉移效率的降低。信號電荷轉移的弛豫時間：Company LogoCompany Logo167.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率 為了保證一定的轉移效率，時鐘電壓就有一個上限頻率。例如電極長度L=10m，D=10cm/s2,估算出=410-8秒。如果要求失真率10-4，則要求時鐘變化

10、的周期T滿足41010TeeCompany LogoCompany Logo177.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率 在三相P溝道CCD中，對于單獨通過熱擴散引起的電荷轉移，如果表面空穴采用D=6.75cm/s2，在頻率為f的每個周期中移去電荷的百分之99.99(失真率=10-4)，則時鐘頻率f不能高于式中L以微米作單位。如果L=10m,上限頻率只有560kHz。Company LogoCompany Logo187.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率 實際上，由于邊緣場的加速作用，上限頻率要比這高得多，如達到10MHz。 電荷轉移過程可以通過建立

11、電極之間的邊緣場(使之指向電荷沿溝道傳播的方向)得到加速。邊緣場就是臨近電極加的柵壓所形成的電場。 Company LogoCompany Logo197.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率 在虛線以上，通過邊緣場移去信號電荷花費的時間較長，因此熱擴散的效果起支配作用。 在虛線以下，電荷是通過邊緣場轉移的，因此，若襯底摻雜為 1015cm3以及L=7m，在10MHz的時鐘頻率下得到百分之99.99的電荷轉移。圖7-5 對于各種襯底摻雜濃度，轉移效率 到99.99%所需要的時間與柵長度的關系Company LogoCompany Logo207.7.4 4 信號電荷的輸運傳輸效率信號電荷的輸運傳輸效率2.界面態復合陷阱：硅和二氧化硅界面處存在界面態，它們構成信號電荷俘獲和復合的陷阱，這是電荷耗損的重要因