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MOS電容器工作原理：電荷的收集

MOS電容器是所有MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)中最簡單的，它是CCD的構(gòu)成基礎(chǔ);弄清楚這種結(jié)構(gòu)的原理對理解CCD的工作原理是非常有用的。

MOS電容器有二種類型:表面溝道和埋溝。這二種類型MOS電容器的制造只有些微地不同;然而，由于埋溝電容結(jié)構(gòu)具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此這種結(jié)構(gòu)成了CCD制造工藝的首選。事實上今天制造的所有CCD幾乎都利用埋溝結(jié)構(gòu)。

MOS電容器工作原理-電荷的收集

埋溝電容是在一個p-型襯底上建造的;在p-型襯底表面上形成一個n-型區(qū)(~1μm厚);然后，生長出一層薄的二氧化硅(~0.1μm厚);再在二氧化硅層上用金屬或高摻雜的多晶硅制作電極或柵極;至此完成了MOS電容的制作。

MOS電容器工作原理

無偏置時，n-型層內(nèi)含有多余的電子向p-型層擴(kuò)散，p-型層內(nèi)含有多余的空穴并向n-型層擴(kuò)散;這個結(jié)構(gòu)與二極管結(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同。上述的擴(kuò)散產(chǎn)生了內(nèi)部電場，在n-型層內(nèi)電勢達(dá)到最大。

MOS電容器工作原理

CCD曝光時，每個像元有一個電極處于高電位。硅片中這個電極下的電勢將增大，成為光電子收集的地方，稱為勢阱。其附近的電極處于低電位，形成了勢壘，并確定了這個像元的邊界。像元水平方向上的邊界由溝阻確定。

MOS電容器工作原理

CCD曝光時，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷在勢阱里收集。隨著電荷的增加，電勢將逐漸變低，勢阱被逐漸填滿，不再能收集電荷，達(dá)到飽和。勢阱能容納的最多電荷稱為滿阱電荷數(shù)。

MOS電容器工作原理

MOS電容器工作原理：實際的埋溝結(jié)構(gòu)

埋溝結(jié)構(gòu)的兩邊各有-一個比較厚(~0.5-1.5μm)的場氧化物區(qū)。該區(qū)與高摻雜的p-型硅一起形成形成溝阻，該區(qū)的靜電勢對柵極的電壓和電壓變化不敏感，始終保持形成勢壘。

MOS電容器工作原理

埋溝結(jié)構(gòu)的MOS電容的主要特點(diǎn)是:

能在單一電極之下的一個局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勢阱;

能調(diào)整或控制柵極下面的勢能;

儲存電荷的位置(勢能最小處)離Si-Si02交界面有定的距離;

低的暗電流使其能夠長時間的儲存信號電荷(取決于工作條件可以從數(shù)十秒到數(shù)小時);

所收集的電荷可以通過光照、電注入等產(chǎn)生;

能快速地將電荷從-一個電極之下的一一個位置轉(zhuǎn)移到下一個鄰近的電極下面，而且損失非常低。

小結(jié)

CCD的基本結(jié)構(gòu)非常簡單，就是MOS電容。了解MOS電容器工作原理就了解了收集電荷的勢阱，了解了隔離電荷包的勢壘，了解了供電荷轉(zhuǎn)移的溝道。

CCD的輸出結(jié)構(gòu)對CCD性能的影響至關(guān)重要。通過對輸出結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)了解CCD輸出信號的特殊性和復(fù)位噪聲的概念。CMOS圖像傳感器發(fā)展很快，學(xué)習(xí)本章內(nèi)容對CMOS的應(yīng)用也是有用的。