相机光学（十六）——CCD与CMOS（像素结构）_mos电子势阱

1.CCD

从结构上讲，CCD是由许多小的MOS电容组成。MOS电容即金属（metal）-氧化物（Oxidation）-半导体（Semiccondctir）构成的电容器。如图所示：

 

MOS电容实际上就是一个电容，因此当在金属和半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要充放。两种所带电荷相反，电荷数相等，但是电荷分布却很不同，在一般的电容器中，金属自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围内，而在半导体中由于自由载流子密度要低很多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表层面称为空间电荷区。

当满偏电压小于0，多数载流子堆积时，能带向上弯曲，随着向表面接近，价带顶将逐渐甚至超过费米能级，同时表面价带中空穴浓度随之增加，这样表面层内就出现空穴堆积而成带正电荷。越接近表面空穴浓度越高，这表面空穴堆积分布在靠近表面的薄层内。当满偏电压大于0，多数载流子耗尽，表面处能带向下弯曲，这时越接近表面，费米能级离价带顶越远，表面价带中空穴浓度随之降低，表面处空穴浓度将较体内空穴浓度低很多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度，表面层这种状态称为耗尽，这个表面层被称为耗尽层，这就是电荷空间区。空间电荷区两端的电势差为表面势，由于表面能带向下弯，存在表面势，在表面处形成电子势阱，随着满偏电压增大，表面势增大，收集电子能力增大，势阱变深；当满偏电压继续增大，表面处能带进一步下弯，表面处费米能级位置可能高于禁带中央处能级，表面处的电子浓度将超过空穴浓度，即形成与元那里半导体衬底导电类型相反的一次，叫做反层区。如果没有外来电子进来，耗尽层的宽度继续增加，表面势继续增大，空间电荷区可达到几微米；当有自由电荷进入势阱，耗尽层宽度和表面势均随着电荷的增加而减小，势阱变浅，在这种情况下，半导体空间电荷层内的负电荷一部分是耗尽层中已电离的受主电荷，另一部分是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面内。当电子充满势阱时，达到稳定状态，界面电子浓度等于衬底受主密度，在稳定状态下，不能再向势阱注入电荷。

因此，利用反型前的非稳定在深耗尽时人为注入信号电荷，如光注入或电注入，就可以达到转移和存储电荷的目的。即CCD就是工作在非稳定条件下的MOS电容器的集成。在电荷转移中，其机制包括自激漂移、热扩散和边缘场漂移。这是CCD光电转换和信号存储的过程。

对于信号读取，需要外接时钟脉冲。转移电极结构通常按照每个单元采用的电极相数划分，一般常用是三相，如果两相的话，不能保证电荷的单向流动，要建立位垒防止电荷倒流。但是两相可以使电荷双向移动，虽然其供电系统简单，但是电荷存储能力和处理能力比三相低。转移信道有表面和体内转移，表面转移为SCCD，埋沟信道为BCCD。SCCD转移和存储的位阱都是在Si-SiO2界面处，电荷转移速度和效率低，BCCD中传递信息的电子是N层中的多子，而后者是P层中少子，SCCD中的信息电荷集中在界面处很薄的反层区中，而BCCD的信息电荷集中在体内附近，BCCD处理电荷的能力比SCCD约小一个数量级，BCCD的转移损失比SCCD小1-2数量级，具有较高的转移效率，BCCD的转移速度高，且噪声比SCCD低。

从CCD输入端输入的电荷包，在时钟脉冲的作用下，很快转移到输出短的最后一个时钟电极下面，还需要把电荷包无破坏以电流或是以电压的方式输出，输出结构由反偏二极管、浮置扩散层、浮置栅结构、分布式浮置栅结构，用的最多是浮置扩散层。输出栅极为一固定的中等电平，当N层栅极为低电平时电荷包转移到反偏二极管中的位阱中，发射极电压变化并被放大，检出电信号。在输入组，势阱获取电荷需要保证注入电荷量同实际信号成线性关系，保证电荷包大小同输入电压成正比或表面势的大小同输入电压成正比。一般方法有动态电流积分法、二极管截止法、电位平衡法，最常用的是电位平衡法，其不仅线性特性好，有高信噪比，而且信号电荷在转移过程中，不会因为界面态及电荷转移不完全而使信号失真。此外，还消除了栅极注入法所带来的随机噪声。

CCD中的噪声包括电荷转移损失噪声、背景电荷引入噪声、界面态俘获噪声、输出放大器噪声、光电子散粒噪声。

其电荷存储容量为$Q=C_{ox}\cdot \bigtriangleup V$,其中C是氧化层电容，V是时钟脉冲变化幅度值。

2.CMOS

CMOS的像素可以分为无源和有源，按照感光区分又有光电二极管和MOS。目前实用化的图像器件都是有源的像素结构，即APS，结构包括光电二极管、MOS光电门、掩埋型光电二极管。

对于PN结方式，在二极管上连接放大用的MOS晶体管栅极，经基板与MOS晶体管源极-漏极扩散形成的光电二极管，事先利用复位晶体管复位电源电压后，才开始存储光电转换的信号电荷。由于光电二极管在复位后出现逆向偏压的状态，发挥等价晶体的作用，随信号电荷的存储变化电压，放大晶体管将该电压放大输出到列信号线。这一构造具有可直接利用LSI工艺的特点，其工作过程如下：（1）开始存储，PN结无电荷，此时行复位线为低电平。（2）PN结进行光电信号的积累，其电压被放大晶体管放大；行选择线为高，把电压加到列选择线上，列线水平移位缓存器作用下，依次移出（3）行复位线为高电平，把电荷抽走（4）行复位线又为低电平，回到（1）

对于MOS光电门方式，在光电门进行光电转换的信号电荷，传送到中间夹读出栅极，形成的浮置扩散层，并把其电压变化用放大晶体管放大后输出。工作过程如下：（1）行复位线为低电平，光照射到MOS二极管上，光电荷杰雷在MOS的势阱中，进行光电信号积累。（2）在光电信号积累的同时，进行上一帧积累信号的读出。行选择线为高电平，该行的信号电压通过晶体管放大，加在该行的负载晶体管上，然后水平唯一缓存器一次开启，把该行的信号电压输出（3）该行信号输出完毕后，带该行的存储时间，行复位线为高脉冲电平，把上一帧积累在浮置扩散层的信号电荷抽走到电源中区（4）行复位线为低电平，准备接受新的电荷包（5）把积累在MOS二极管的信号电荷包转移到浮置扩散层中。转移完成后，控制电平为低电平，准备进行新一帧的信号积累，同时回到（1）

而掩埋型可以实现低暗电流并且没有利用如光电门一样的电极材料吸收光的现象。当然不产生复位时的KTC噪声，也与使用光电门方式相同，不过光电二极管单位面积的饱和量和信号电荷量，与其他方式相比也偏低，此外读出动作时，光电二极管既有易残留信号电荷出现残像的缺点，其工作方式如下：（1）行读出线为低电平，行复位线为低电平，光照射在PN二极管上，光电荷积累在PN的势阱中，进行光电信号积累。（2）在光电信号积累的同时，进行上一帧的积累信号的读出。行选择线为高电平，该行的信号电压通过放大晶体管放大，加在该行的负载晶体管上，然后水平移位缓存器依次开启，把该行的信号电压输出。（3）该行信号输出完毕后，待该行的存储时间到之前，行复位线为高脉冲时，把上一帧积累在浮置扩散层处的信号电荷抽走到电源中（4）把行复位线变成低电平，准备接受新的电荷包（5）行读出线为高电平，把积累在PN结二极管的信号电荷包转移到浮置扩散层中，转移完成后，行读出线变成低电平，准备进行新一帧的积累，回到（1）的状态。

然而，一般认为以上缺点从构造方面下功夫改善，可以达到充分的饱和输出信号与无残像的目标，此外，对于PN结光电二极管方式，一旦增加元件数量，制造工艺也必须追加形成掩埋型。三种像素构造优缺点如下：

 

对于一般的照相机而言，比较与感光度和SN比关系密切的是暗电流特性。