半导体器件物理：第7章电荷转移器件.ppt

国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验第第七七章章 电荷转移器件电荷转移器件Charge-Transfer Devices—CTD电荷耦合器件电荷耦合器件Charge Coupled Devices—CCD斗链器件斗链器件Bucket-Brigade Devices—BBD 第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验电荷转移器件电荷转移器件——CTD的基的基本原理本原理vCTD的的核心是核心是MOS电容的有序阵列加上输入与输出电容的有序阵列加上输入与输出部分在栅电极加上时钟脉冲电压时，在半导体表部分在栅电极加上时钟脉冲电压时，在半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱用光或电注面就形成了能存储少数载流子的势阱用光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势阱中通入的方法把代表信号的少数载流子注入势阱中通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度发生相应过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子在半导体的变化，从而使注入势阱中的少数载流子在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子的收集和表面内作定向运动，再通过对少数载流子的收集和再生得到信号的输出。

再生得到信号的输出第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验 §7.1 电荷转移电荷转移教学要求：教学要求：1. 概念：概念：CTD、、CCD、、BBD2. 了解了解CCD电荷转移过程电荷转移过程第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验一、电荷转移原一、电荷转移原理理图图7-1 电电荷荷转转移移系系统统数字移位寄存器数字移位寄存器模拟延迟线模拟延迟线两个分开的时钟脉两个分开的时钟脉冲冲——二相系统二相系统斗链器件斗链器件——BBD电电荷荷转转移移通通过过采采用用分分立立或或集集成成的的元元件件在在电电路路级级基基础础上上构构成的 §7.1 电荷转移电荷转移第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验二、电荷耦合器件二、电荷耦合器件——CCD在在器件级基础上器件级基础上的电荷转移结构是通过的电荷转移结构是通过电荷耦合电荷耦合器器件件——CCD实实现的在CCD中，少数载流子存储于中，少数载流子存储于建立在半导体表面的建立在半导体表面的势阱势阱中。

这些载流子通过依次中这些载流子通过依次填充和排空一系列势阱沿着表面输运在它的最简填充和排空一系列势阱沿着表面输运在它的最简单形式中，单形式中，CCD是一串是一串紧密排布的紧密排布的MOS电容器电容器，，如如图图7-2的情的情形所示 §7.1 电荷转移电荷转移第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验二、电荷耦合器件二、电荷耦合器件——CCD图图7-2 三相三相CCD动作，动作， p+扩散用来限制沟道扩散用来限制沟道1. 若若在图在图7-2a中，电极中，电极2偏置在偏置在10V，比它附近两个电极的偏置电压，比它附近两个电极的偏置电压(5V)高，高，这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边2. 现现在让电极在让电极3偏置在偏置在15V，在电极，在电极3下边于是就建立起一个更深的势阱下边于是就建立起一个更深的势阱（图（图7-2b）存储的电荷寻求更低的电势，因而当势阱移动时它们沿着）存储的电荷寻求更低的电势，因而当势阱移动时它们沿着表面移动表面移动3. 注注意在这种结构中需意在这种结构中需要要3个个电极，以便于电电极，以便于电荷存储荷存储，并且使转移只沿着一，并且使转移只沿着一个方个方向。

这向这三个电极看成是器件的一个级或三个电极看成是器件的一个级或单元，称为三相单元，称为三相CCD §7.1 电荷转移电荷转移第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验v小结小结：： CTD的核心是的核心是MOS电容的有序阵列电容的有序阵列(arrays)加上输加上输入与输出部分在栅电极加上入与输出部分在栅电极加上时钟脉冲电压时钟脉冲电压时，在时，在半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱用半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱用光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势阱中通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度阱中通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子的收集和再生得到信号的输出的收集和再生得到信号的输出 §7.1 电荷转移电荷转移第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.2 深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱教学要求教学要求：：1.　了解深耗尽状态及其物理过程。

　了解深耗尽状态及其物理过程2.　导出深耗尽状态下的空间电荷区厚度公式　导出深耗尽状态下的空间电荷区厚度公式（（7-2-7），以及表面势与栅极电压的关系式），以及表面势与栅极电压的关系式（（7-2-8）和（）和（7-2-9））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.2 深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱CCD是利用在是利用在MOS结构栅极下使半导体表面形成结构栅极下使半导体表面形成深耗尽状态深耗尽状态进进行工作行工作的深耗尽状态：深耗尽状态：当当VG>2φf时，要时，要达到表面反型层需要有一个过渡过达到表面反型层需要有一个过渡过程在此过渡过程中，半导体处于非热平衡状态程在此过渡过程中，半导体处于非热平衡状态—深耗尽状态深耗尽状态这一弛豫过程所需的这一弛豫过程所需的弛豫时间弛豫时间约为约为 在深耗尽状态中，栅极的正电压排斥在深耗尽状态中，栅极的正电压排斥P型衬底中的空穴，使半导型衬底中的空穴，使半导体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区空间电荷区为耗体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区空间电荷区为耗尽层。

由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚尽层由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚度的限制，而直接由栅度的限制，而直接由栅压压VG的的大小来决定这时表面势也不受形大小来决定这时表面势也不受形成强反成强反型层时型层时ψs=2φf的限制，也直接的限制，也直接由由VG 的的大小来决定在深大小来决定在深耗尽状态，耗尽层耗尽状态，耗尽层厚度厚度Xd>Xdm，表面，表面势势ψs>2φf ，，所以称之为深所以称之为深耗尽状态耗尽状态 第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验v深耗尽状态下深耗尽状态下的的SCR厚度和表面势：厚度和表面势： 1. 理想理想MOS结构结构：： §7.2 深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱（（7-2-2））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.2 深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱为简便起见，引入为简便起见，引入 （（7-2-3））Vi为耗尽层厚度为（为耗尽层厚度为（ ）时，在氧化层上产生的电压）时，在氧化层上产生的电压降。

降7-2-4））（（7-2-5））（（7-2-6））表面势：表面势：第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验计计入入功功函函数数和和氧氧化化层层电电荷荷的的影影响响，，需需引引入入平平带带电电压压VFB，，则则有有效效的的栅栅极极电电压压为为：： VG-VFB ，，代代入入（（7-2-5））式式，，就就可可以以得到实际得到实际MOS的表面势与的表面势与VG的关系：的关系： §7.2 深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱SCR厚度：厚度：（（7-2-7））（（7-2-8）） 2. 实际实际MOS结构结构：：表面势：表面势：第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验【【例例】】P－－Si衬衬底底，，Na= 5×1014cm-3，，xo=150nm，，氧氧化化层层中中正正电电荷荷的的密密度度 Qo= 1012cm-2，，金金属属电电极极为为Al的的MOS结结构构。

当当 VG=16V 时时，，计计算算得得：：Vi=0.16V，，ψs≈15V显显然然ψs >2φf，在非热平衡状态，表面处于深耗尽状态在非热平衡状态，表面处于深耗尽状态§7.2 深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱这种深耗尽状态，意味着表面处的电子的静电势能这种深耗尽状态，意味着表面处的电子的静电势能-qψs特别特别低，因此也称为低，因此也称为表面势阱表面势阱表面势ψs的值标志势阱的深度的值标志势阱的深度由上述例子可知，一般由上述例子可知，一般Vi  VG在这种情况下表面势在这种情况下表面势（（7-2-8）式可以简化为：）式可以简化为： （（7-2-9））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验小结：小结：1. 热热平平衡衡MOS表表面面强强反反型型层层的的建建立立需需要要经经过过一一段段弛弛豫豫时时间间，，而而不不是是当当VG>VTH时时立立即即形形成成的的达达到到表表面面强强反反型型层层需需要要有有一一个个过过渡渡过过程程。

在在此此过过渡渡过过程程中中，，半半导导体体处处于于非非热热平平衡衡状状态态，，即即为为深深耗耗尽尽状状态态由由于于不不是是处处于于热热平平衡衡状状态态，，耗耗尽尽层层厚厚度度不不受受热热平平衡衡时时的的最最大大厚厚度度的的限限制制耗耗尽尽层层厚厚度度将将大大于于xdm，，表表面面势势ψs 也也将将远远大大于于2φf ，所以称之为深耗尽状态，所以称之为深耗尽状态2. 在在深耗尽深耗尽状态下：状态下： §7.2 深耗尽状态和表面势阱深耗尽状态和表面势阱（（7-2-7））（（7-2-8））（（7-2-9））在在Vi  VG情况下情况下：情况下情况下：第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性教学教学要求：要求：1.正确画出深耗尽状态下的能带图正确画出深耗尽状态下的能带图7-3b。

2.了解从深耗尽状态到平衡态的物理过程了解从深耗尽状态到平衡态的物理过程3.导出公式（导出公式（7-3-4）和（）和（7-3-7）第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验图图7-3MOS电电容容器器的的结结构构和和能能带带图图图7-3 P型衬底上MOS电容器的结构和能带图§7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性VG>0时时，，在在栅栅的的下下边边形形成成耗耗尽尽层层初初始始时时刻刻，， 半半导导体体表表面面处处于于深深耗耗尽尽状状态态达达到到饱饱合合条条件件所所需需要要的的时时间间即即为为热热 弛弛 豫豫 时时 间间 由由于于实实用用势势阱阱不不是是处处于于饱饱合合条条件件下下，，所所以以C CC CD D 器器 件件 基基 本本上上是是一一种种动动态态器器件件电电荷荷可可以以存存储储在在其其中中存存储储的的时时间间要要比比热热弛弛豫豫时时间间短短得得多多第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性在加有信号电荷在加有信号电荷Qsig之后，总表面的电荷为之后，总表面的电荷为：：（（7-3-1））（（7-3-2））（（7-3-3））解方程（解方程（7-3-3）求得表面势）求得表面势：：（（7-3-4））（（7-3-5））其中：其中：（（7-2-3））公式（公式（7-3-4））在在CCD的设计的设计中很重要中很重要，因为，因为ψs 标志着势阱标志着势阱的深度，的深度， ψs 的的梯度支配着少子梯度支配着少子的运动。

的运动第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性信号电荷在氧化层上产生电压降，它使表面势降低：信号电荷在氧化层上产生电压降，它使表面势降低：（（7-3-6））从（从（7-3-4））,（（7-3-5）和）和（（7-2-2）中可以看出，表）中可以看出，表面势由衬底掺杂浓度以及面势由衬底掺杂浓度以及决定决定Co的氧化层厚度所控的氧化层厚度所控制若令V为常数，则当为常数，则当Na和和Xo减少时减少时ψs增加由于增加由于V随随Qsig的增加而减少，所以的增加而减少，所以表面势也是信号电荷量的表面势也是信号电荷量的函数图图7-4 表面势与式（表面势与式（7-3-4）中电压的函数关系）中电压的函数关系第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验若测得若测得CGS，就可由，就可由（（7-3-7）） 式计算出式计算出ψs ，然后可以利用（，然后可以利用（7-3-4））和（和（7-3-5）计算出信号电荷）计算出信号电荷量。

对于时间间隔比热弛豫时间短的情形，量对于时间间隔比热弛豫时间短的情形，MOS电容器可用作模拟信息的存储元件模拟信息由势阱中的电荷量电容器可用作模拟信息的存储元件模拟信息由势阱中的电荷量代表§7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性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，即：，即：（（7-3-7））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验小结小结:1. 图图7-3b是深耗尽状态下的能带图，是深耗尽状态下的能带图，7-3c是热平衡能带图画是热平衡能带图画能带图的依据已经在能带图的依据已经在§6-1中给出2. 在深耗尽状态，耗尽层内将产生电子在深耗尽状态，耗尽层内将产生电子-空穴对在耗尽层电场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衡—热平衡达到热平衡所需要的时间即为热弛豫时间热平衡达到热平衡所需要的时间即为热弛豫时间§7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.3 MOS电容的瞬态特性电容的瞬态特性小结小结:表表面面势势由由衬衬底底掺掺杂杂浓浓 度度 Na以以及及决决定定 Co的的氧氧化化层层厚厚度度 Xo所所控控制制当当 Na和和Xo减减少少 时时 ，， ψs增增 加加 4. 信号电荷在氧化层上产生电压降，它使表面势降低：信号电荷在氧化层上产生电压降，它使表面势降低：5. 栅电极和衬底之间的电容：栅电极和衬底之间的电容： 若测得若测得CGS，就可由此，就可由此式计算出式计算出ψs ，然后可，然后可以利用（以利用（7-3-4）和）和（（7-3-5）计算出信号）计算出信号电荷电荷3. 在加有信号电荷在加有信号电荷Qsig之后，表面势为：之后，表面势为：（（7-3-4））其中：其中：（（7-3-5））（（7-3-6））（（7-3-7））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率教学要求教学要求: :1.基本概念基本概念：：传输效率、转移失真率、自感应电场、扩传输效率、转移失真率、自感应电场、扩散弛豫时间、丰零模式。

散弛豫时间、丰零模式2.说明说明信息电荷传输的几种机制信息电荷传输的几种机制—自感应电场力，热扩自感应电场力，热扩散运动，边缘场引起的漂移输运散运动，边缘场引起的漂移输运3.说明说明造成电荷耗损的主要因素造成电荷耗损的主要因素—热扩散，边缘场热扩散，边缘场漂移漂移,硅硅和二氧化硅界面处存在界面态构和二氧化硅界面处存在界面态构成信成信号电荷俘获和号电荷俘获和复合的陷阱复合的陷阱4.时钟频率时钟频率上限的计算上限的计算第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率当一个电荷束沿着当一个电荷束沿着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例称为电荷从一个势阱转移到下一个势阱的电荷所占的比例称为传输传输效率效率或或转移效率转移效率η留下的电荷所占比例称为留下的电荷所占比例称为转移失真率转移失真率ε显然 η+ ε= 1.一、定义：一、定义：当信息电荷转移了当信息电荷转移了N个电极之后，总的传输效率应为个电极之后，总的传输效率应为ηN ，即转，即转移移N次之后的信息电荷量次之后的信息电荷量QN与原来的信息电荷量与原来的信息电荷量Q0之比为：之比为：（（7-4-1））当当ε<< 1时，时，（（7-4-2））实际实际CCD往往需要经过大于往往需要经过大于1000次的转移（即次的转移（即N>1000））,为了为了保证经过保证经过N次转移以后总的传输效率仍在百分之次转移以后总的传输效率仍在百分之90以上，失真以上，失真率必须达到率必须达到10-4—10-5。

第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率进行转移的时间越长，转移到下一个势阱的电荷就进行转移的时间越长，转移到下一个势阱的电荷就越多，所以转移失真率越多，所以转移失真率ε是时间的函数实验观察到是时间的函数实验观察到大部分的电荷表现为迅速转移，但总电荷束的一小大部分的电荷表现为迅速转移，但总电荷束的一小部分部分b却以时间常数却以时间常数τ呈指数式地缓慢转移因此，呈指数式地缓慢转移因此，较慢的电荷转移限制着器件的频率特性，且转移效较慢的电荷转移限制着器件的频率特性，且转移效率遵守如下规律：率遵守如下规律：（（7-4-3））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验二、信息二、信息电荷的转移机制和转移失真因素电荷的转移机制和转移失真因素 ：：1. 1. 信息信息电荷的转移机制：电荷的转移机制：(1) 自感应自感应电场力转移：电场力转移：在刚开始，电荷束非常密集并被限定在刚开始，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一一部分（部分（~ 99%））通过自感应电场力转移通过自感应电场力转移2) 通过通过热扩散转移热扩散转移：：随着时间的延续，电子间排斥力减小，随着时间的延续，电子间排斥力减小，对于少量对于少量的信号电荷，信息电荷的转移受热扩散所支配的信号电荷，信息电荷的转移受热扩散所支配 (3) 通过通过边缘场漂移转移边缘场漂移转移：边缘场就是临近电极加的栅压形成：边缘场就是临近电极加的栅压形成的电场边缘场对信息电荷有吸引作用，将加速电荷的转移边缘场对信息电荷有吸引作用，将加速电荷的转移 §7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验二、信息二、信息电荷的转移机制和转移失真因素电荷的转移机制和转移失真因素 ：：2. 转移失真因素转移失真因素 ：：（（1）对于小量的信号电荷，信息电荷的转移受热扩散所支配对于小量的信号电荷，信息电荷的转移受热扩散所支配。

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移的弛豫时间τ为为：：§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率（（7-4-5））式中，式中，L为电极长度，为电极长度，D为载流子扩散系数为载流子扩散系数第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验（（2）时钟）时钟上限频率：上限频率： 为了为了保证一定的转移效率，时钟保证一定的转移效率，时钟电压要有电压要有一个上限一个上限频率 【【例例】】电极长度电极长度L=10μm，，D=10cm2/s，由（，由（7-4-5）式可估算出）式可估算出τ=4×10-8s如果要求失真率如果要求失真率ε<10-4≈e-10，则要求，则要求时钟变化的时钟变化的周期周期T 满足满足§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率即：即：T≥10τ＝＝4×10－－7s. 以两相以两相CCD为例，时钟上限频率为例，时钟上限频率: f = 1/(2T) = 1.25×106 Hz。

在三相在三相P沟道沟道CCD中，单独通过热扩散引起的电荷中，单独通过热扩散引起的电荷转移，如果表面空穴转移，如果表面空穴D=6.75cm2/s，在频率为，在频率为f 的每个周期中移去电的每个周期中移去电荷的荷的99.99%（失真率（失真率ε=10-4），则时钟频率），则时钟频率f 应低于应低于（（7-4-7））式中式中L以微米作单位如果以微米作单位如果L=10μm,上限频率只有上限频率只有560 kHz7-4-8））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验由于边缘场的加速作用，上由于边缘场的加速作用，上限频率要比（限频率要比（7-4-8）式高得）式高得多，可达多，可达10 MHz边缘场的边缘场的强度随栅极电压和氧化层厚强度随栅极电压和氧化层厚度的增加而增加，并随着栅度的增加而增加，并随着栅极长度和衬底掺杂浓度的增极长度和衬底掺杂浓度的增加而减小，如图加而减小，如图7-5所示虚线以上，电荷转移弛豫时间线以上，电荷转移弛豫时间主要由热扩散决定，虚线以主要由热扩散决定，虚线以下，主要由边缘场决定下，主要由边缘场决定。

图图7-5 对于各种衬底掺杂浓度对于各种衬底掺杂浓度，，转移效率转移效率为为99.99%所需要的时钟频率与栅极长度的关系所需要的时钟频率与栅极长度的关系§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验（（3）界面态）界面态复合陷阱：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俘获和 复合的陷阱，这是电荷耗损的重要复合的陷阱，这是电荷耗损的重要因素减小因素减小这种影响的办法这种影响的办法除了采取一些工艺措施尽量减少界面态以外，还除了采取一些工艺措施尽量减少界面态以外，还可以利用所谓可以利用所谓丰零或胖零（丰零或胖零（fat zero）工作）工作模式4）胖）胖零（零（fat zero）工作模式：）工作模式： 这种工作模式是不管有无信息电荷，都让半导体表面存在一定这种工作模式是不管有无信息电荷，都让半导体表面存在一定的背景电荷的背景电荷，例如，例如背景电荷为信息电荷量的百分之十通过在背景电荷为信息电荷量的百分之十。

通过在整个沟道上传播小量本底整个沟道上传播小量本底电荷使表面态电荷使表面态基本上被填满从而使这基本上被填满从而使这种类型的损耗得到种类型的损耗得到降低在胖零工作模式下，自感应的漂移显胖零工作模式下，自感应的漂移显著提高§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验小结小结：：1.信号电荷转移的主要机制：自感应电场力，热扩散运动，边缘场引起信号电荷转移的主要机制：自感应电场力，热扩散运动，边缘场引起的漂移输运的漂移输运2.造成电荷耗损的主要因素：随着时间的延续，自感应电场力减小，电造成电荷耗损的主要因素：随着时间的延续，自感应电场力减小，电子便通过热扩散以及边缘场漂移输运在一般情况下这两种机制决定子便通过热扩散以及边缘场漂移输运在一般情况下这两种机制决定着电荷耗损；此外硅和二氧化硅界面处存在界面态，它们构成信号电着电荷耗损；此外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，是电荷耗损的重要因素界面态的影响可以采荷俘获和复合的陷阱，是电荷耗损的重要因素。

界面态的影响可以采用胖零工作模式消除用胖零工作模式消除3.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效率 η ，留下的电荷所占比率称为转移失真率，留下的电荷所占比率称为转移失真率ε，并且，并且 η + ε =14.扩散弛豫时间扩散弛豫时间§7.4 信息电荷的输信息电荷的输运传输运传输效率效率（（7-4-5））第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验7.5 电极排列电极排列和和CCD制造工艺制造工艺教学要求：教学要求：了解三相了解三相CCD和二和二相相CCD的基本结构和的基本结构和工作过程工作过程第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验一、三相一、三相CCD：：图图7-6 三相三相CCD的电荷转移过程的电荷转移过程中不同时间间隔的势阱和定时图中不同时间间隔的势阱和定时图7.5 电极排列电极排列和和CCD制造工艺制造工艺(a) 若若φ1 >φ2, φ3，，表面势阱将在表面势阱将在φ1电极下边形成。

电极下边形成由光学或电学方法引进的电荷束在由光学或电学方法引进的电荷束在t=t1时聚集在时聚集在这些阱内这些电荷束可能有不同这些阱内这些电荷束可能有不同的量b)为了为了促使电荷向右促使电荷向右转移，转移， t=t2时用时用一个正的阶跃电压一个正的阶跃电压加加到到φ2上上，，这样这样φ1和和φ2下边的势阱就具有同样的下边的势阱就具有同样的深度从而，存储的电荷束便深度从而，存储的电荷束便会铺开c)在在t=t3时，时，φ1的电压开始线性地下降，使得在的电压开始线性地下降，使得在φ1电极下的势阱缓慢而不是急速地升高电荷束电极下的势阱缓慢而不是急速地升高电荷束势必会流到栅势必会流到栅2和和5下边的势阱下边的势阱内，内，(d)栅栅1和和4下边势阱的缓慢升高为完成电荷转移提下边势阱的缓慢升高为完成电荷转移提供了更为有利的电势分布供了更为有利的电势分布当当t=t4时时，电荷已经，电荷已经转移到转移到φ2电极下的势阱内注意电极下的势阱内注意φ3电极下的势垒电极下的势垒阻挡着电荷向左移动重复相同的程序，可以使阻挡着电荷向左移动重复相同的程序，可以使电荷电荷从从φ2→φ3 → φ1 ，当，当完成了时钟电压的一个全完成了时钟电压的一个全周期，电荷束向右前进了一级。

周期，电荷束向右前进了一级第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验1.单金属栅单金属栅CCD：金属栅极易短路；若加大栅极间距，会导致极间势垒，：金属栅极易短路；若加大栅极间距，会导致极间势垒，影响电荷转移；暴露的氧化层吸附静电荷，引起器件的不稳定影响电荷转移；暴露的氧化层吸附静电荷，引起器件的不稳定2.掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅CCD ：多晶硅掺杂不易精确定位，造成大的单元尺寸多晶硅掺杂不易精确定位，造成大的单元尺寸3.三重多晶硅栅三重多晶硅栅CCD ：可造出小的：可造出小的CCD，但工艺复杂但工艺复杂图图7-7 三相三相CCD结构结构7.5 电极排列电极排列和和CCD制造工艺制造工艺一、三相一、三相CCD第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验二、二二、二相相CCD（台阶二氧化硅（台阶二氧化硅CCD））7.5 电极排列电极排列和和CCD制造工艺制造工艺V1=V0－－V, V2=V0+VP型衬底型衬底氧化层台阶氧化层台阶（（a））（（b））（（c））图图7-8 二相二相CCD势阱图势阱图V2V1V1=V0+V, V2=V0－－VV1=V2=V0在三相在三相CCD中，采用了合适的外加栅电压中，采用了合适的外加栅电压以堵塞电荷向一个方向的转移。

若势阱的以堵塞电荷向一个方向的转移若势阱的结构本身就提供了自建的方向性，便得到结构本身就提供了自建的方向性，便得到二相二相CCD系统注意这里氧化层的厚度是系统注意这里氧化层的厚度是台阶式的，因而在每个电极的下面出现不台阶式的，因而在每个电极的下面出现不同的电势为了促进电荷转移，邻近电极同的电势为了促进电荷转移，邻近电极上的电势在上的电势在V0+V和和V0-V之间改变，以获得之间改变，以获得非对称电势分布在图非对称电势分布在图7-8(a)和和(c)两个势能两个势能图中，信号总是向右方传递由于台阶的图中，信号总是向右方传递由于台阶的氧化层，二相氧化层，二相CCD可以满意地工作而无需可以满意地工作而无需三相系统中那样的重叠时钟电压脉冲三相系统中那样的重叠时钟电压脉冲第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验二、二二、二相相CCD（台阶二氧化硅（台阶二氧化硅CCD））图图7-9 二相多晶硅铝二相多晶硅铝—栅结构栅结构7.5 电极排列电极排列和和CCD制造工艺制造工艺一般地多晶硅下面氧化层较薄，约一般地多晶硅下面氧化层较薄，约为为100～～120nm，铝栅下面的氧化，铝栅下面的氧化层较厚，约为层较厚，约为300nm左右。

因此，左右因此，在相同的栅电压下势阱深度不同，在相同的栅电压下势阱深度不同，在硅铝栅交叠处形成表面势台阶在硅铝栅交叠处形成表面势台阶在多晶硅下面形成势阱区，在铝栅在多晶硅下面形成势阱区，在铝栅下面形成势垒区于是信息电荷在下面形成势垒区于是信息电荷在两相时钟作用下就可以实现定向转两相时钟作用下就可以实现定向转移，所以称这种器件为两相硅铝栅移，所以称这种器件为两相硅铝栅交叠交叠CCD信息电荷只能存储在势信息电荷只能存储在势阱区中，故称多晶硅栅为存储栅阱区中，故称多晶硅栅为存储栅势垒区只起转移电荷的作用，因此势垒区只起转移电荷的作用，因此称铝栅为转移栅称铝栅为转移栅 第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验7.6 埋埋沟沟CCD——BCCD（（burried charge coupled devices））教学要求：教学要求：1.根据能带图了解为什么根据能带图了解为什么BCCD能把沟道从能把沟道从Si－－SiO2的界面移入半导体体内的界面移入半导体体内2.BCCD的特点是什么？的特点是什么？第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验一、一、BCCD的结构、偏置和特点的结构、偏置和特点图图7-10 埋入沟道电荷耦合器件埋入沟道电荷耦合器件（（BCCD）的结构和偏置）的结构和偏置7.6 埋沟埋沟CCD——BCCD1.BCCD的基本结构和原理是把沟的基本结构和原理是把沟道从道从Si-SiO2的界面移入半导体的界面移入半导体体内，从而减弱表面态对转移体内，从而减弱表面态对转移损耗以及噪音特性的影响。

损耗以及噪音特性的影响2.BCCD主要的优点是主要的优点是：：(1) 消除了表面态的陷阱效应；消除了表面态的陷阱效应；(2)因转移沟道在远离电极的体因转移沟道在远离电极的体内，可设计获得较大边缘场；内，可设计获得较大边缘场；(3)载流子体内迁移率比表面迁载流子体内迁移率比表面迁移率大这些优点使得这些优点使得BCCD具有高得多具有高得多的转移效率和时钟频率的转移效率和时钟频率 第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验图图7-11 不考虑栅电极效应时的电场，不考虑栅电极效应时的电场，电势分布及能带图电势分布及能带图图图7-12栅电极电压为栅电极电压为VG时的电场，电势分布时的电场，电势分布及能带图及能带图一、一、BCCD的结构、偏置和特点的结构、偏置和特点7.6 埋沟埋沟CCD——BCCD第七章第七章 电荷转移器件电荷转移器件国家级精品课程国家级精品课程————半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验Page 248习题习题 7-1，，7-2，，7-3，，7-4，，7-5，，7-6.第七章作业第七章作业。