第４０卷第２期 Ｖｏ１．４０ ＮＯ．２ 红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１１年２月 Ｆｅｂ．２０１１ 电子倍增ＣＣＤ中电荷载流子倍增寄存器的分布式等效 电路模型 周蓓蓓，陈 钱，何伟基 （南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京２１００９４） 摘 要：为了研究电子倍增电荷耦合器件（ＥＭＣＣＤ）中电荷载流子倍增寄存器（ＣＣＭ）内部电荷的倍增 及转移特性．提出了一种适用于ＣＣＭ的电荷传输机制仿真的分布式等效电路模型。利用泊松方程求 解了均匀掺杂条件下ＣＣＭ单元的电势分布。通过基尔霍夫电压定律（ＫＶＬ）得到了该单元的最大电势 表达式，从而得到了其分布式等效电路。同时，结合该单元内的电势分布求解，最终得到了分布式等效 电路模型。通过对该模型的分析表明：ＣＣＭ单元内电极间的间隙越小，电荷倍增率越大。ＣＣＭ电荷传 输主要受到自感生电场和热扩散电场作用．由于自感生电场的电荷迁移率作用，大部分电荷在时钟周 期的初始阶段完成转移。 关键词：电荷载流子倍增寄存器； 电子倍增电荷耦合器件； 电荷传输； 等效电路 中图分类号：ＴＮ２２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２０１１）０２—０２２９～０６ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ＣＣＤｓ Ｚｈｏｕ Ｂｅｉｂｅｉ，Ｃｈｅｎ Ｑｉａｎ，Ｈｅ Ｗｅｉｊｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｍｉｎｇ ２１００９４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒｇｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ（ＣＣＭ）ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ（ＥＭＣＣＤ），ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｉｎ ＣＣＭ．Ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｏｐｉｎｇ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｏｓｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ Ｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｌａｗ（ＫＶＬ），ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＭ ｗａｓ ａｌｓｏ ｇａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｇａｐ ｌｅｎｇｔｈ ｉｎ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｆｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｌｆ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｆｉｅｌｄ．Ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｒｅｄ ｃｈａｒｇｅｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｏｃｋ 收稿日期：２０１０－０５—１０： 修订日期：２０１０—０７—０５ 基金项目：国家部委科研项目（Ａ２６２００６０２４２，４０４０５０８０１１）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００８０４９） 作者简介：周￣（１９８３－），女，博士生，主要从事微光成像器件机理及应用方面的研究工作。Ｅｍａｉｌ：ｋｉｌｙｆｅ＿ｚｂｂ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ 导师简介：陈钱（１％４一），男，教授，博士生导师，博士，主要从事光电探测与光电成像技术等研究工作。Ｅｍａｉｌ：ｃｑ１９６４＠１６３．ｃｏｍ 红外与激光工程 第４０卷 ｃｙｃｌｅ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｅｌｆ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｉｅｌｄ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＣＭ；ＥＭＣＣＤ；ｃｈａｒｇｅ ｄｅｌｉｖｅｒｙ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｏ引言 电子倍增ＣＣＤ（ＥＭＣＣＤ）技术是一种全新的微弱 光信号增强探测技术［１１，其最大的特点在于读出寄存 器之后自带了电荷载流子倍增寄存器（ＣＣＭ），在信号 电荷进入读出放大器之前，利用碰撞电离来实现光生 电荷的几乎无噪声的倍增，从而实现了对极微弱光信 号的实时快速动态探测［２］。因此，对ＣＣＭ的工作机理 开展相关研究、为ＣＣＭ器件的设计提供理论依据成 为该领域的一个重要课题。此文的主要目的就是建立 ＣＣＭ单元的等效电路模型，从而实现对ＣＣＭ中电荷 传输的计算机仿真。 Ｈｅｓｓｔ３１和Ｍａｄａｎ［４￣等人分别用理论和实验表明：在 特定条件下，电荷耦合器件的信号电荷在电极间转移 的过程中可能与晶格发生碰撞电离．产生新的电子．空 穴对。Ｈｙｎｅｃｅｋｔｓ￣阐述了利用信号电荷与晶格发生碰撞 电离实现可控电荷倍增的技术，提出ＣＣＭ『６］的概念。 ＤｅｎｖｉｒＩｎ等人证明电荷倍增技术可有效地提高ＣＣＤ的 成像探测性能。Ｗａｎｇｔ￣在忽略边缘电场的前提下，提出 了表面沟道ＣＣＤ的若干电路模型。但表面沟道ＣＣＤ 受Ｓｉ和ＳｉＯ 交界处界面态和电荷迁移率的影响，存在 电荷传输效率（ＣＴＥ）低和器件工作频率低的问题。当 ＣＣＤ采用埋沟结构时，可避免界面态的作用，提高了电 荷传输效率和器件工作频率［２１。故ＣＣＭ单元也采用埋 沟结构，克服了上述缺点，其结构如图ｌ所示。 ：曩 ｛二二二 Ｔｖ，－［－ 图１ ＣＣＭ单元结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｈｅｐｐａｒｄ［９１等人给出了没有注入电荷时，ＮＮＣＣＤ 栅下电势分布的求解方法。由于ＣＣＭ单元中存在强 边缘电场的作用，注人电荷的影响不能忽略。故上述 学者的结论均不适合直接用于描述ＣＣＭ内的电荷传 输过程。文中给出了在注入电荷一定的条件下，栅极 下电势分布的求解方法，提出了可用于ＣＣＭ内电荷 传输的等效电路模型。建立了ＣＣＭ单元工作在沟道 完全耗尽情况下的等效电路，并在此基础上，提出了 ＣＣＭ分布式等效电路模型。最后，给出了具体应用实 例的仿真结果。 １ ＣＣＭ单元的等效电路 如图ｌ所示．ｎ沟道ＣＣＭ单元的基本组成结构 与栅控二极管类似。栅电容由氧化层电容和耗尽层电 容串联组合而成。通常，在Ｎ 区施加足够的正偏电 压，并取基底为零电位。令Ｎ层的氧化层下形成场感 应耗尽层（电子耗尽层），其厚度为 。同时由于ＰＮ 结处于反向偏置，产生体内耗尽层（如图中 和 部 分）。由于Ｎ层很薄，外加栅压很容易使得Ｎ型层完 全耗尽，栅下电势分布仅与外加栅压有关。因此，通常 情况下，ＣＣＭ单元工作在Ｎ层完全耗尽状态下，即 和 部分相加的厚度正好是Ｎ型层的厚度。 假设Ｎ型层和Ｐ型衬底为均匀掺杂且掺杂浓度 为常数。其掺杂浓度分别为ⅣＤ和ⅣＡ；Ｎ型层中有 ＮＡ ０，空穴浓度ｐ＝０；Ｐ型衬底有Ｎｏ ０，电子浓度 ｎ＝０；氧化层中无电荷，其厚度为 。图２（ａ）～（ｄ）分别 为ＣＣＭ单元一维剖面示意图及其电荷、电场和电势 分布情况图。图中， 为Ｎ型层厚度；Ｗ为Ｐ型衬底中 耗尽层边缘位置；ｑ为电荷常量。 ２，． ，、 由一维泊松方程 拿＝ ［９】及其边界条件，结 ｄｘ。 ｓｒ００ 合图２（ｂ），可求得栅极下电势分布为： （一ｄｏｘ≤ ≤０）＝ ｇ＋Ｅｏｘ（ｘ＋ｄｏｘ） ＜ 。 一鬻 ＜ ≤唰 一 （ ≤ ： （ ） ８Ｓｉ 式中：￡ 为Ｓｉ材料介电常数；Ⅳ。为ｎ型层施主浓度； 第２期 周蓓蓓等：电子倍增ＣＣＤ中电荷载流子倍增寄存器的分布式等效电路模型 ｄ ２３１ ｐ（ ） Ｎ Ｑ．’ ， Ｔ Ｗ Ｄ ｘ ０ Ｉ Ｉ Ｊ ￡． ＼～ １ Ｄ ０ ／Ｘ Ｘ，Ｘ Ｔ ）（：Ｗ Ｉ ／ 一￡ 图２ ＣＣＭ单兀一维剖面图及其电荷、电场、电压分布图 Ｆｉｇ．２ Ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ，ｃｈａｒｇｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ，ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ⅣＡ为Ｐ型层受主浓度； 为电极电势； 为沟道最大电 势。 表示表面电势，由于取基底电位为零，故４＇ｍ＝ ， 咖 ： ，则在ｘ＝Ｔ处，由基尔霍夫电压定律（ＫＶＬ）可得： 设Ｏｓ表示自由电荷量，令Ａｘ＝ｘ ，ａｓ＝一 ⅣＤ・ ， ＝ ＝ｎ ＱＳ［１０１则沟道处最大电势表达式为： 。ｑｂ＝ ＝ｍ骞（１＋ ）（ （３） ２式 ［（１＋ ＋ ）。一 Ｊ。． 由于Ｐ型衬底特性与耗尽层特性相似，ⅣＡ一０，因 ｌｉｍ Ｖ＋ｍ 等： ２＋ ㈣ 同理．在ｘ＝Ｏ处：㈠ ㈩ ａｓ ，一＝ — —÷ 盟 （５） 恐 设Ｑｓ（ｚ）表不在位置ｚ处的目由电荷， （ｚ）表不 ｚ处的自由电荷的一维线密度，则Ｏ （ｚ）＝一ｑｎｓ（ｚ）。令 ｃ０＝ ，Ｃｚ＇－— ，将公式（５）代人公式（４），并在 ｄｏｘ Ｔ一 墨 ⅣＤ 电荷传输方向求导。经化简可得： ａｚ ａ＝等一ｚ Ｃ ａｚ Ｃ专 ， ａｚ 、㈣ 由公式（６）可知：沟道电势的梯度与自由电荷的 梯度掣及表面势梯度 ，上相关。Ｓｕｚｕｋｉｔ川等人分 析表明：在栅极范围内， 可以近似认为是与位置无 关的常数，即 ，上：０。故ＣＣＭ单元可以近似为两个 电容的串联，即 Ｃ一 Ｃ＋ Ｃ 。 ㈤ ｅｆｆ ０ｚ 因此．ＣＣＭ单元的等效电路如图３所示 图３ ＣＣＭ单元的等效电路 Ｆｉｇ．３ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｃＭ单元的分布式等效电路模型 如图１所示的ＣＣＭ单元，忽略电场强度对电子 扩散系数Ｄ和电子迁移率 的影响，则沟道电荷密 度流为： 蚴 。（＼ ０ Ｚ ＋ 鲁１０／Ｚ ＋ Ｑ０ （Ｚ ８） 设ＣＣＭ单元的长度为Ｌ，划分为Ⅳ段．则Ａｚ＝Ｌ／ Ⅳ；令最小分辨时间为△ｆ，则在某一时刻ｔ，将公式（６） 代人公式（８）并进行离散化处理可得： 红外与激光工程 第４０卷 Ｊ（ｚ，ｔ）一Ｄ Ｑｓ（ｚ＋Ａｚ，ｔ）－Ｑｓ（ｚ，ｔ）＿＋ △Ｚａｓ（ｚ’ （９） 在ＣＣＭ单元的任意位置ｚ，对 ： ｄＺ ｄｔ 进行离散化处理，可得： 型 ：—Ｑｓ（ｚ，ｔ＋Ａ ｔ）－Ｑｓ（ｚ，ｔ）（１０）一Ａ ｚ ａｔ 、 将公式（９）代人公式（１０），可得： Ｑｓ（ｚ，ｔ＋ Ａｔ ）－Ｑ—ｓ（ｚ，ｔ）一．△ｚ： Ｄ．．．Ｑｓ（ｚ＋Ａｚｔ）－，Ｑｓ（ｚ，ｔ）－．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ａｚ （１１） ＋ （ｚ， 综合公式（７）～公式（１１），整理可得： ＋ ＝ Ｄ．—Ｑｚ－－－ｓ（Ａｚ，ｔ ）Ｑｓ（Ｚ，ｔ）Ｄ．—Ｑｓ（ｚ＋Ａｚ，ｔ） Ｑｓ（ｚ，ｔ）＋ ————————一—————————～Ａｚ Ａｚ ａｓ（ｚ一△ｚ，ｆ）． 一 △Ｚ ａｓ（ ）． （１２） Ａｚ 则ＣＣＭ单元分布式等效电路模型如图４所示。 Ｃ 图４ ＣＣＭ单元分布式等效电路模型 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ３ ＣＣＭ分布式等效电路模型 文中分别建立了ＣＣＭ单元的等效电路及分布式 等效电路模型。现将上述结论应用于建立ＣＣＭ分布 式等效电路模型。以二相式结构的ＣＣＭ为例，令 ＣＣＭ单元的长度为Ｌ，单元内电极间的间隙为Ｚ，如 图５所示。为了便于分析，假设栅压在栅极范围内是 均匀的，有 ＝三＝０。 Ｏ ＺＯ ｆ ；ＳｉＯ Ｎ ｔｙｐｅ Ｐ ｔｙｐｅ 图５二相式ＣＣＭ结构不葸图 Ｆｉｇ．５ Ｓｔｕｒｃｔｕｒａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ＣＣＭ 信号电荷在电极间隙转移时，若间隙电场足够高 且信号电荷从电场中获取足够能量时，由于碰撞电离 将产生新的电子一空穴对。新的电子加入至原先的电 荷包中，形成倍增后的信号电荷包。新的空穴向衬底 运动，形成衬底漏电流，新的空穴不参与下一次的碰 撞电离过程。同时，由于空穴的电离率远远小于电子 电离率，因此，可以假设在ＣＣＭ电荷转移倍增过程只 有电子参与。 由于信号电荷发生碰撞．电离需要从强电场中吸 收能量，文中假设该阈值电场ＥＴ＝ＩＯ Ｖ／ｃｍ。同时，忽 略信号电荷在电极间隙的运动时间。结合上述分析， 可得ＣＣＭ分布式等效电路模型如图６所示。 图６ ＣＣＭ分布式等效电路模型 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＭ 令Ｏ／ （Ｅ）表示电荷电离率，Ｅ（ｚ）表示电极间隙的 电场强度，则： （ ））ｓｇｎ（ ）一 ．ＱＳ（ｚ）（１３） 求解公式（１３）可得： ｆ ｌ ａｓ（ ＋ｚ）＝ａｓ（Ｌ）。ｅｘｐ（Ｊ。０ （Ｅ（ｚ））ｓｇｎ（Ｅ（ｚ）一 ）（１ｚ）（１４） 电荷电离率是与电场强度Ｅ相关的常数，其计算 方法为： ａｎ（Ｅ）＝Ａｎｅｘｐ（－ｂ．／Ｅ） （１５） 式中：Ａ 、ｂ 为常数，由实验方法获得。Ｅ可以通过求 第２期 周蓓蓓等：电子倍增ＣＣＤ中电荷载流子倍增寄存器的分布式等效电路模型 ２３３ 解泊松方程得到，为便于分析，采用参考文献［１２】中 的方法，有：Ｅ＝ＡＶ／ｌ＝（ 一 ）／ｚ。定义倍增系数ｇ（Ｅ，ｚ） ＝Ｑｓ（Ｌ＋Ｚ）／ａ （Ｌ）。 ４应用 ＣＣＭ的一个重要特性是实现了信号电荷在传输 过程中的倍增放大。由上述分析可知：ＣＣＭ单元内电 极间的间隙决定了ＣＣＭ的电荷倍增特性。假设栅压 应用时间远远大于电荷转移时间，应用公式（１４）、公 式（１５）得到了在该条件下参数对电荷倍增的影响，式 中常系数采用参考文献［５】中的结论，其仿真结果如 图７所示。由图７可以看出：ＣＣＭ单元内电极间的间 隙长度及电压差都对信号电荷的倍增产生影响，但间 隙长度明显较电压差要明显。 图７ ＣＣＭ电荷倍增与电极ｌ司隙长度、栅压差的关系 Ｆｉｇ．７ Ｇａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｖｅｒｓｕｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｇａｐ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｔｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ 在ＥＭＣＣＤ中，每个ＣＣＭ单元中电子发生碰撞电 离的概率Ｐ较小，约为０．０１～０．０１５ Ｌ”１。令ＣＣＭ单元个 数为ｎ，则整个器件的总增益 可以表示为： ＝（１ ） （１６） 由于ＥＭＣＣＤ的电子倍增寄存器通常由几百个 ＣＣＭ单元串联而成｝６１，由公式（１６）可知。经过多级倍 增，信号电荷的总增益 足以达到一千倍以上，使得 ＥＭＣＣＤ的探测灵敏度能够达到单光子水平。 前面分析了影响ＣＣＭ单元传输的不同参数．其 对ＣＣＭ单元传输特性的影响可以结合给出的模型进 行分析。只考虑二维情况下，选取如下参数：ＣＣＭ单元 内电极长度Ｌ＝７ ｔｘｒｎ，电极间的间隙／＝１．５ Ｉｘｍ，如图７ 中小方格线所示。氧化层厚度 ＝０．１ Ｉｘｍ，ｎ型沟道宽 度 ｌ ｔｘｍ， 型沟道掺杂浓度ＮＤ＝３ｘ１０ ｃｍ～。Ｐ型沟 道掺杂浓度ＮＡ＝ｌｘｌ０“ｃｍ～。电子扩散系数和电子漂移 系数都认为是与电场强度无关的常数，取Ｄ＝０．２５ ｍ－ ｓ， ＬＬ＝１．３５ ｍ・Ｖ ．Ｓ 。取Ｎ＝５０，即在电荷传输方向的模拟 精度△ｚ＝０．１４Ｉｘｍ。模拟时间精度Ａｔ＝０．０１ｎｓ。假设电荷 注入的ＣＣＭ单元的电荷初始化分布为在电荷传输方 向均匀分布，则ＣＣＭ单元的埋沟中最大电势 与栅 压 的关系如图８所示。由图８可见， 与栅压 近似满足线性关系。存储电荷的密度越大，线性失真 越明显。 图８ ＣＣＭ单元埋沟中最大电势 与栅压 的关系 Ｆｉｇ．８ Ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｂｕｆｆｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｖｅＰｓｕｓ ｔｈｅ ｇａｔｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ 由公式（１１）、公式（１２）及公式（１４）计算可得ＣＣＭ 单元内电荷密度随时间变化的情况，如图９所示，电 荷大都发生在时钟周期的初始阶段。 图９ ＣＣＭ单元内电荷密度与时间的关系 ｉＦｇ．９ Ｃｈａｒｇｅｓ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ＣＣＭ ｅｌｅｍｅｎｔ ＶＳ ｔｉｍｅ ２３４ 红外与激光工程 第４０卷 公式（１１）表明电荷转移主要受到自感生电场和热 扩散电场作用，文中忽略边缘电场在ＣＣＭ单元内的 作用。由于自感生电场的电荷迁移率比较大，因此电 荷很容易在初始阶段把从ＣＣＭ单元转移。 ５结论 通过电路等效方法实现了对ＣＣＭ电荷传输现象 的分析和仿真．建立了可用于电子倍增ＣＣＤ计算机 仿真的ＩＣ模型，并进行计算机仿真。在分析过程中， 忽略了电场强度对电荷传输的影响，假设电荷扩散系 数与电荷漂移速度是与电场强度无关的常系数。结果 表明，影响ＣＣＭ电荷倍增的因素包括：ＣＣＭ单元内 电极间的距离和栅压差等。在栅压差为２０Ｖ时，ＣＣＭ 单元内电极间的间隙通常应小于２ ｍ才能等到有效 的放大倍增。ＣＣＭ电荷转移主要受到自感生电场和 热扩散电场作用，由于自感生电场的电荷迁移率比较 大，因此。电荷在时钟周期的初始阶段完成转移。 参考文献： 【ｌ】 Ｊｅｒｒａｍ Ｐ，Ｐｏｏｌ Ｐ，Ｂｅｌｌ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ＬＬＬＣＣＤ：ｌｏｗ ｌｉｇｈｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｆｏｒ ａｎ ｉｎｔｅｎｓｉｉｆｅｒ【Ｃ］／／ＳＰＩＥ，２００１， ４３０６：１７８－１８６． ［２］ Ｚｈｏｕ Ｂｅｉｂｅｉ，Ｃｈｅｎ Ｑｉａｎ，Ｚｈａｎｇ Ｗｅｎｗｅｎ．Ｍｕｌｔｉ ｐｉｎｎｅｄ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｅ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ【Ｊ］． ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｆｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ），２００８，３２（５）：５９９－６０３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 周蓓蓓，陈钱，张闻文．电子倍增电荷耦合器件中多针相工 作模式［Ｊ１．南京理工大学学报（自然科学版）），２００８，３２（５）： ５９９－６０３． 【３］Ｈｅｓｓ Ｋ，Ｓａｈ Ｃ Ｔ．Ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ＣＣＤ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｍｐｏｓｅｄ ｂｙ ｈｏｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ［Ｊ］．Ｓｏ玩ｆ－Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， １９７９，２２：１０２５． 【４】 Ｍａｄａｎ Ｓ Ｋ，Ｂｈａｕｍｉｋ Ｂ，Ｖａｓｉ Ｊ Ｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｈａｒｇｅ—ｃｏｕｐｌｅ ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９８３，ＥＤ一３３：６９４． ［ 】 Ｈｙｎｅｃｅｋ Ｊ．Ｉｍｐａｃｔｒｏｎ－－ａ ｎｅｗ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｉｍａｇｅ ｉｎｔｅｎｓｉｉｆｅｒ【Ｊ】＿ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，２００１，４８（１Ｏ）：２０３８． 【６】 Ｈｙｎｅｃｅｋ Ｊ．ＣＣＭ—ａ ｎｅｗ ｌｏｗ—ｎｏｉｓｅ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｔｉｅｒ ｍｕｌｉｔｐｌｉｅｒ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｉｎ ｓｍａｌｌ ｐｉｘｅｌ ＣＣＤ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９９２，３９（８）： １９７２－１９７５． ［７］ Ｄｅｎｖｉｒ Ｄ Ｊ，Ｃｏａｔｅｓ Ｃ Ｇ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ＣＣＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｕｌｔｒａ－・ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏ－－ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ［Ｃ］／／ＳＰＩＥ，２００２，４６２６：５０２． ［８】 Ｗａｎｇ Ｎ Ｎ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｃｈａｒｇｅ— ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ，１９８１， ＣＡＳ－２８（１）：２． 【９】 Ｓｈｅｐｐａｒｄ Ｓ Ｔ，Ｍｅｌｌｏｃｈ Ｍ Ｒ，Ｃｏｏｐｅｒ Ｊ Ａ Ｊｒ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｕｒｉｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ６Ｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ【Ｒ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＥＣＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔｓ，１９９６：２８—６１． ［１０】 Ｄｅｙｈｉｍｙ Ｉ．Ｅｄｅｎ Ｒ Ｃ．Ｈａｒｒｉｓ Ｊ Ｓ Ｊｒ．ＧａＡｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｅ—ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ 【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９８０，ＥＤ一２７（６）：１１７２－１１８０． 【１１］ Ｓｕｚｕｋｉ Ｎ，Ｙａｎａｉ Ｈ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ—ｃｈａｒｇｅ ｒｔａｎｓｐｏｒｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｉｎ ａ ｃｈａｒｇｅ－ｃｏｕｐｌｅ ｄｅｖｉｃｅ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９７４，ＥＤ一２１（１）：７３． ［１２］ Ｌｅｎｏｂｅｌ Ｍ，Ｃｒｅｓｓｗｅｌｌ Ｊ Ｖ，Ｙｏｕｎｇ Ｌ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｇａｐｓ ｏｆ ＧａＡｓ ｃｅｒｍｅｔ—ｇａｔｅ ｃｈａｒｇｅ—ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９０，３３ （７）：８５１． ［１３］ Ｚｈｏｕ Ｂｅｉｂｅｉ，Ｃｈｅｎ Ｑｉｎａ，Ｈｅ Ｗｅｉｊｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｏｕｔｐｕｔ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）， ２００９，３３（５）：６５３—６５８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 周蓓蓓，陈钱，何伟基．电荷载流子倍增输出概率分布对图 像均匀性影响因素研究［Ｊ】．南京理工大学学报（自然科学 版），２００９，３３（５）：６５３—６５８．
