MOS电容器工作原理知识普及

MOS电容器工作原理：电荷的收集

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。

MOS电容器工作原理-电荷的收集

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。

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。

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 。

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。

MOS电容器工作原理：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。

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-一个电极之下的一一个位置转移到下一个邻近的电极下面，而且损失非常低。

小结

CCD的基本结构非常简单，就是MOS电容。了解MOS电容器工作原理就了解了收集电荷的势阱，了解了隔离电荷包的势垒，了解了供电荷转移的沟道。

CCD的输出结构对CCD性能的影响至关重要。通过对输出结构的学习，重点了解CCD输出信号的特殊性和复位噪声的概念。CMOS图像传感器发展很快，学习本章内容对CMOS的应用也是有用的。

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