高二物理 电荷的收集 MOS 电容器 竞赛课件

电荷的收集MOS电容器电荷的收集MOS电容器

MOS电容器是所有MOS(金属-氧化物-半导体)结构中最简单的，它是CCD的构成基础；弄清楚这种结构的原理对理解CCD的工作原理是非常有用的。

MOS电容器有二种类型：表面沟道和埋沟。这二种类型MOS电容器的制造只有些微地不同；然而，由于埋沟电容结构具有很多显著的优点，因此这种结构成了CCD制造工艺的首选。事实上今天制造的所有CCD几乎都利用埋沟结构。电荷的生成CCD的量子效率QE是波长的函数TH7834响应曲线电荷的生成各种不同CCD的量子效率的比较思考：CCD的窗口玻璃影响性能吗？为什么？电荷的收集

CCD工作过程的第二步是电荷的收集，是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。 为了收集电荷，必须制造一个收集区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集的电荷不被复合。

收集区：势阱。电荷的收集MOS电容器二氧化硅电极N型硅P型硅光生电子－空穴对耗尽区

埋沟电容是在一个p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面上形成一个n-型区(~1μm厚)；然后，生长出一层薄的二氧化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。电子的势能：q是电子的电荷量，而

为静电势2-6无偏置时，n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散，p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散；这个结构与二极管结的结构完全相同。上述的扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。np沿此线的电势示于上图.电势CCD厚度方向的截面图这种‘埋沟’结构的优点是能使光生电荷离开CCD表面，因为在CCD表面缺欠多，光生电荷会被俘获。这种结构还可以降低热噪声（暗电流）。电荷的收集MOS电容器电子势能最小的地方位于n-型区内并与硅-二氧化硅(Si-SiO2)的交界面有一定距离这个势能最小(或电位最高)的地方就是多余电子聚集的地方。CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。电荷的收集MOS电容器电势电势势能势能CCD曝光时，产生光生电荷，光生电荷在势阱里收集。随着电荷的增加，电势将逐渐变低，势阱被逐渐填满，不再能收集电荷，达到饱和。势阱能容纳的最多电荷称为满阱电荷数。np电势最大电势区电荷的收集MOS电容器实际的埋沟结构埋沟结构的两边各有一个比较厚(~0.5-1.5μm)的场氧化物区。该区与高掺杂的p-型硅一起形成形成沟阻，该区的静电势对栅极的电压和电压变化不敏感，始终保持形成势垒。电荷的收集MOS电容器栅极N型埋沟场氧化物沟阻P型衬底耗尽区信号电荷氧化物埋沟结构的MOS电容的主要特点是：能在单一电极之下的一个局部区域内产生势阱；能调整或控制栅极下面的势能；储存电荷的位置(势能最小处)离Si-Si02交界面有一定的距离；低的暗电流使其能够长时间的储存信号电荷(取决于工作条件可以从数十秒到数小时)；所收集的电荷可以通过光照、电注入等产生；能快速地将电荷从一个电极之下的一个位置转移到下一个邻近的电极下面，而且损失非常低。电荷的收集MOS电容器像元边界电荷包p-型硅n-型硅SiO2绝缘层电极结构像元边界入射的光子

光子入射到CCD中产生电子空穴对，电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。电荷的收集电荷收集的效率与电势的分布、复合寿命和扩散长度有关。电荷的收集

复合寿命 由光子激发出的电子在重新跃