341
第十章 電荷轉(zhuǎn)移器件
為謀求IC 設(shè)計(jì)的簡化，導(dǎo)致一類新功能結(jié)構(gòu)的發(fā)明，這類結(jié)構(gòu)稱為電荷轉(zhuǎn)移器件（CTD ）。在CTD 器件中，按工作原理劃分，有兩類不同的器件：電荷耦合器件()CCD 和斗鏈器件()BBD 。 10.1 電荷轉(zhuǎn)移
電荷轉(zhuǎn)移的概念可以用增益為1以及輸入阻抗無窮大的一系列放大器連成的鏈來說明，如圖10-1a 所示。當(dāng)接通開關(guān)1S 時(shí)，輸入訊號以電荷束（電荷包）的形式存貯于電容器1C 中。斷開1S ，然后接通2S ，存貯在1C 中的電荷將轉(zhuǎn)移到電容器2C 中。按照同樣的程序進(jìn)行下去，電荷將抵達(dá)輸出端。這種系統(tǒng)可以作為數(shù)字移位寄存器或模擬延遲線。
3
S
1A
2
A 3
A 4
A i v 0v
i v 1φ2φ（b ）
（c ）
圖10-1 電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)：（a ）運(yùn)算放大器；（b ）MOS 晶體管；（c ）水桶模型
342
如果用一MOS 晶體管來代替每一放大器和開關(guān)，便得到圖10-1b 所示的電路。通過在相應(yīng)的柵電極上加給電壓脈沖，能使晶體管依次接通和關(guān)斷，電荷則被存貯轉(zhuǎn)移，正象圖10-1所示的情形。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)中中，柵1和3被連接在一起加脈沖，柵2和4也是按這種方式連接的。電荷轉(zhuǎn)移可以形象地比喻成裝滿和倒空的水桶，如圖10-1c 所示。示于圖10-1b 的電路稱為斗鏈器件。由于需要1φ和2φ兩個(gè)分開的時(shí)鐘脈沖，可以稱它是一個(gè)二相系統(tǒng)。
在斗鏈器件中，電荷轉(zhuǎn)移是通過采用分立或集成的元件在電路級基礎(chǔ)上構(gòu)成的。在器件級基礎(chǔ)上的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)是通過電荷耦合器件()CCD 實(shí)現(xiàn)的。在CCD 中，少數(shù)載流子存貯于建立在半導(dǎo)體表面的勢阱中。這些載流子通過依次填充和排空一系列勢阱沿著表面輸運(yùn)。在它的最簡單形式中， CCD 是一串緊密排布的MOS 電容器，如象繪于圖10-2的情形。若在圖10-2a
中，電極2偏置在V 10，比它附近兩個(gè)電極的偏置電壓)5(V 高，這樣就建立
P V
V 51=V
V 102=V
V 53=1 2 3 4 Al
2
P V V 51=V V 102=V V 153=1
V 1 2 3 4 Al
2
（a ）
（b ）
圖10-2 三相CCD 的基本動作：
（a ）電荷貯存；（b ）電荷轉(zhuǎn)移。+
P 擴(kuò)散用來限制溝道
343
了用虛線描繪的勢阱，電荷貯存在這個(gè)電極下邊。現(xiàn)在讓電極3偏置在V 15，在電極3下邊于是就建立起一個(gè)更深的勢阱（圖10-2b）。貯存的電荷尋求更低的電勢，因而當(dāng)勢阱移動時(shí)它們沿著表面移動。注意在這種結(jié)構(gòu)中需要3個(gè)電極，以便于電荷貯存，并且使轉(zhuǎn)移只沿著一個(gè)方向。我們將把這三個(gè)電極看成是器件的一個(gè)級或單元。 10．2 深耗盡狀態(tài)和表面勢阱
CCD 是在MOS 晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的基本結(jié)構(gòu)也是MOS 電
容。但它與MOS 晶體管的工作原理不同。MOS 晶體管是利用柵極下的半導(dǎo)體表面形成的反型層進(jìn)行工作的，而CCD 是利用在柵極下使半導(dǎo)體表面形成深耗盡狀態(tài)進(jìn)行工作的。
以P 型硅的MOS 結(jié)構(gòu)為例。在第六章中指出，當(dāng)柵極加有正電壓G V ，而且G V 大于閾值電壓TH V 時(shí)，在達(dá)到熱平衡時(shí)，柵極下的半導(dǎo)體表面形成反型層。這時(shí)再增大G V ，表面勢s ψ基本保持不變（s ψ=2f φ），耗盡層厚度達(dá)到dm X 也不再改變。加大G V 的結(jié)果只是使表面反型層中的電子數(shù)目增多。反型層中的電子是靠耗盡層中產(chǎn)生的電子-空穴對來提供的，因此反型層的建立需要一個(gè)弛豫時(shí)間，稱為熱弛豫時(shí)間。第5節(jié)中指出，耗盡層中電子一空穴對的產(chǎn)生率近似為02τi n [（2-60）式]。如果P 型硅襯底中受主濃度為a N ，可近似認(rèn)為上述過程的弛豫時(shí)間為i a n N 02τ。通常這個(gè)弛豫時(shí)間可達(dá)數(shù)秒以上。由此可見，表面反型層的建立需要經(jīng)過一段弛豫時(shí)間，而不是當(dāng)V G >V T H 時(shí)即形成的。要達(dá)到表面反型層需要有一個(gè)過渡過程。在此過渡過程中，半導(dǎo)體處于非熱平衡狀態(tài)——深耗盡狀態(tài)。
在深耗盡狀態(tài)中，柵極的正電壓排斥P 型硅襯底中的空穴，使半導(dǎo)體表面形成由電離受主構(gòu)成的負(fù)的空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)為耗盡層。由于不是處于熱平衡狀態(tài)，耗盡層不再受熱平衡時(shí)的最大厚度dm x 的限制，而直接由柵壓G V 的大小來決定。這時(shí)表面量s ψ也不受形成反型層時(shí)S ψ=2f φ的限制，也直接由V G 的大小來決定。在深耗盡狀態(tài)，耗盡層厚度d X 將大于dm X ，表面量s ψ也將遠(yuǎn)大于f φ，所以稱之為深耗盡狀態(tài)。現(xiàn)在考慮在深耗盡狀態(tài)下的表面勢s ψ和耗盡層厚度d x
對于理想MOS 結(jié)構(gòu)，由
S S
G C Q V ψ+?
=0
（6-44） d S qNaX Q ?= （6-5）
344
以及 0
2
2εψS d
a S k x qN = （6-6）
有
2
1
2002???
?????+=S a S S G C qN k V ψεψ （10-1）
為簡便起見，引入
2
0C qN k V a
S i ε=
（10-2）
由于i V 可以寫為()000C qNa x k k V s i =，所以可以把i V 解釋為耗盡層厚度為（0k k S ）時(shí)，在氧化層上產(chǎn)生的電壓值。則（10-1）式變?yōu)?/span>
()21
21
2S i S G V V ψψ+= （10-3）
（10—3）式是以21
S ψ為未知數(shù)的一元二次方程，解之得
()()[]
21212
1
4222
1
G i i S V V V ++?=
ψ 兩邊乘方，得
G i i G i S V V V V V ?+?+=22ψ （10-4）
以及
???????+
=121222
1
i G
i S
V V V ψ （10-5） 代入（6—6）式得到
???
??????+=
12100i G S d V V C k x ε （10-6）
計(jì)入功函數(shù)和氧化層電荷的影響，將G V 換成G V －FB V （FB V 為平帶電壓），代入（10—4）式，就可以得到實(shí)際MOS 的表面勢S ψ與G V 的關(guān)系：
()FB G i i i FB G S V V V V V V V ?+?+?=22ψ （10-7）
對于P 型襯底受主濃度Na =5×3
1410?cm ，氧化層厚度0x =150nm ，氧化層中正電荷的密度0Q =1012
/2
cm ×q ，金屬電極為Al 的MOS 結(jié)構(gòu)，在
G V =16V 時(shí)，計(jì)算得i V =0.16V ，S ψ≈15V ，顯然S ψ>2f φ。表面形成的這種
345
深耗盡狀態(tài)，意味著表面處的電子的靜電勢能S q ψ?特別低，因此也稱為表面勢阱。S ψ的值標(biāo)志勢阱的深度
上述例子給出，i V <<G V 。
在這種情況下（10-7）式可以簡化為
()()2
12
12FB G i FB G S V V V V V ?+?≈ψ （10-8）
10.3 MOS 電容的瞬態(tài)特性
在電荷耦合器件緊密排布的MOS 電容器上施加電壓脈沖就產(chǎn)生勢阱。少
~（a ）
c V
i FP E （b ）
E
（c ）
圖10-3
MOS 電容器：（a ）結(jié)構(gòu)，（b ）在+
=0t 時(shí)深耗盡情況下的能帶圖和電荷分布，（c ）熱平衡時(shí)（∞=t ）的能帶圖和電荷分布。
