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1、光电子技术研究所 光光电电转转换换效效率率是是表表征征太太阳阳电电池池性性能能的的最最重重要要的参数。的参数。n阐述入射太阳辐射功率计算的依据，阐述入射太阳辐射功率计算的依据，n再以硅再以硅pn结太阳电池为主，兼顾其它种类电结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方法。虑计算方法。n考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效应。及效应。太阳电池的光电转换效率太阳电池的光电转换效率光电子技术研究所 太太阳阳电电池池所所利利用用的的太太阳阳能能来来源源于于太太阳阳辐辐射射。太太阳阳中中心心
2、发发生生的的核核聚聚变变反反应应，连连续续不不断断地地释释放放出出巨巨大大能能量量，主主要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。表表面面发发光光层层温温度度约约6000K，其其辐辐射射光光谱谱与与6000K绝绝对对黑体的连续辐射光谱类似黑体的连续辐射光谱类似(见图见图)。一、太阳辐射光谱一、太阳辐射光谱AM0和和AMl.5光电子技术研究所 太太阳阳辐辐射射经经过过日日-地地平平均均距距离离(约约1.5101.5108 8公公里里)，传传播播到到地地球球大大气气层层外外面面，其其辐辐射射能能面面密密度度已已大大大大降降低。低。在在这这个个距距离离上
3、上，垂垂直直于于太太阳阳辐辐射射方方向向单单位位面面积积上上的的辐辐射射功功率率基基本本上上是是个个常常数数，称称为为太太阳阳常常数数。其其数数值值是是1.353kW1.353kWm m2 2。这这是是许许多多国国家家使使用用高高空空气气球球、高高空空飞飞机机、人人造造卫卫星星、宇宇宙宙飞飞船船等等对对太太阳阳辐辐射射进进行行大大量量测测试试、综综合合而而得得到到的的公公认认数数据据。与与此此同同时时，还还确确定定了了满满足足太太阳阳常常数数数数值值的的太太阳阳辐辐射射度度按按波波长长分分布布表表。根根据据此此表表可可画画出出太太阳阳光光的的光光谱谱分分布布曲曲线。线。光电子技术研究所 目目前
4、前世世界界上上许许多多国国家家把把太太阳阳常常数数作作为为计计算算太太空空用用太太阳阳电电池池的的入入射射光光功功率率密密度度的的依依据据，又称又称AMOAMO光谱条件。光谱条件。在在此此条条件件下下测测试试太太空空用用太太阳阳电电池池效效率率时时，光光源源应应满满足足图图AMOAMO的的光光谱谱分分布布，总总能能量量为为135.3mW135.3mWcmcm2 2，电池测试温度为，电池测试温度为2525。光电子技术研究所 AMOAMO光光谱谱的的太太阳阳辐辐射射经经过过大大气气层层中中臭臭氧氧、氧氧气气、水水汽汽、二二氧氧化化碳碳及及悬悬浮浮固固体体微微粒粒(烟烟尘尘、粉粉等等)的的吸吸收收、
5、散散射射和和反反射射，到到达达地地面面时时，光光谱谱分分布布上上出出现现了了许许多多吸吸收收谷谷，而而且且总总辐辐射射能能至至少少衰衰减减掉掉3030(如图如图7 7所示所示)。在在晴晴朗朗天天气气的的理理想想条条件件下下，决决定定投投射射于于地地面面的的太太阳阳辐辐射射功功率率的的最最重重要要参参数数是是光光穿穿过过大大气气层层通通路路的的长长度度。当当太太阳阳位位于于天天顶顶，该该长长度度最短。最短。任一实际光通路长度与此最短长度任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号记为之比称为大气质量，符号记为AM(Air Mass的缩写的缩写)。光电子技术研究所 上上图图还还给给出出AM
6、 AM 1.51.5的的光光谱谱分分布布，其其积积分分能能量量为为83.5mW83.5mWcmcm2 2。作作为为地地面面太太阳阳电电池池测测试试依依据据的的AM AM 1.51.5光光谱谱条条件件，其其光光源源应应满满足上图中足上图中AM1.5AM1.5光谱分布。光谱分布。太阳在天顶时，地面上太阳在天顶时，地面上太阳辐射叫大气质量为太阳辐射叫大气质量为1 1的辐射，记为的辐射，记为AMlAMl。当。当太阳偏离天顶太阳偏离天顶角时，角时，大气质量由下式给出；大气质量由下式给出；大气质量大气质量=1/cos=1/cos 光电子技术研究所 太太阳阳电电池池的的理理论论效效率率由由上上式式决决定定。
7、当当入入射射太太阳阳光光谱谱AM0或或AMl.5确定之后，其值取决于确定之后，其值取决于Isc、Voc和和FF的最大值。的最大值。Isc最最大大值值的的计计算算考考虑虑：舍舍去去太太阳阳光光谱谱中中大大于于长长波波限限max这这部分的光谱。其中长波限满足：部分的光谱。其中长波限满足：太阳电池的理论效率太阳电池的理论效率认认为为其其余余部部分分的的光光子子，因因其其能能量量hv大大于于材材料料禁禁带带宽宽度度Eg，被材料吸收而激发电子空穴对。，被材料吸收而激发电子空穴对。假假设设其其量量子子产产额额为为1，而而且且被被激激发发出出的的光光生生少少子子在在最最理理想的情况下，想的情况下，百分之百地
8、被收集起来。百分之百地被收集起来。光电子技术研究所 在上述理想的假设下，最大短路电流值在上述理想的假设下，最大短路电流值显然仅与材料带隙显然仅与材料带隙Eg有关。其计算结果有关。其计算结果如图所示。如图所示。太阳电池太阳电池Isc的上限值与材料的上限值与材料Eg的关系的关系光电子技术研究所 式式中中Iph是是光光生生电电流流，在在理理想想情情况况下下即即为为图图中中所所对对应应的最大短路电流。的最大短路电流。Io是二极管饱和电流，用下式计算：是二极管饱和电流，用下式计算：Voc最大值，在理想情况下由下式定：最大值，在理想情况下由下式定：光电子技术研究所 显显然然Io取取决决于于Eg、Ln，Lp
9、、NA、ND和和绝绝对对温温度度T之之高高低低，也与光伏结构有关。也与光伏结构有关。综合上述结果，作为带隙综合上述结果，作为带隙Eg的函数所计算的的函数所计算的最大光最大光电转换效率画于图中电转换效率画于图中。太阳电池光电转换效率太阳电池光电转换效率与材料带隙与材料带隙Eg的关系的关系通过分析看出，为提高通过分析看出，为提高Voc，常，常常采用常采用Eg大，少子寿命长及低大，少子寿命长及低电阻率电阻率(例如对硅单晶片选用例如对硅单晶片选用02-cm)的材料，代入合适的材料，代入合适的半导体参数的数值，给出硅的半导体参数的数值，给出硅的最大的最大Voc值约值约700mV左右。左右。Voc最大值确
10、定之后，可计算最大值确定之后，可计算得到得到FF的最大值。的最大值。光电子技术研究所 太太阳阳电电池池在在光光电电能能量量转转换换过过程程中中，由由于于存存在在各各种种附附加加的的能能量量损损失失，实实际际效效率率比比上上述述的的理理论论极极限限效率低。效率低。下下面面以以pn结结硅硅太太阳阳电电池池为为例例,来来阐阐述述各各种种能能量量损损失失之之机机理理，作作为为改改进进太太阳阳电电池池的的设设计计及及工工艺艺，提高其效率的基础。提高其效率的基础。影响太阳电池效率的一些因素影响太阳电池效率的一些因素光电子技术研究所 太太阳阳电电池池效效率率损损失失中中，有有三三种种是是属属于于“光光学学损
11、损失失”，其主要影响是降低了光生电流值。，其主要影响是降低了光生电流值。（1）反反射射损损失失R()：从从空空气气(或或真真空空)垂垂直直入入射射到媒质到媒质(如半导体材料如半导体材料)的单色光的反射率：的单色光的反射率：1光生电流的光学损失光生电流的光学损失式中式中n为半导体材料复数折射率为半导体材料复数折射率N之实部，即普通之实部，即普通折射率，折射率，k是其虚部，称为消光系数。是其虚部，称为消光系数。光电子技术研究所 每每种种材材料料的的n和和k都都与与入入射射光光之之波波长长有有关关。对对硅硅来来说说，其其关关系系曲曲线线如如图图所所示示。把把n、k的的结结果果代代入入式式中中，发发现
12、现在在感感兴兴趣趣的的太太阳阳光光谱谱中中，超超过过30%的的光光能能被被裸裸露露硅硅表表面反射掉了。面反射掉了。硅折射率的实部硅折射率的实部n与虚与虚部部k与光子能量的关系与光子能量的关系电池厚度对电池厚度对Isc的影响的影响光电子技术研究所(3)透透射射损损失失：如如果果电电池池厚厚度度不不足足够够大大，某某些些能能量量合合适适能能被被吸吸收收的的光光子子可可能能从从电电池池背背面面穿穿出出。这这决决定了半导体材料之最小厚度。定了半导体材料之最小厚度。(2)栅指电极遮光损失栅指电极遮光损失c，定义为栅指电极遮光面积在定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百太阳电池总面积中所占的百分
13、比。对一般电池来说，分比。对一般电池来说，c约为约为4%15%。Pn结硅太阳电池的截面图结硅太阳电池的截面图间接带隙半导体要求材料的厚度比间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的计算结果示于图中。计算结果示于图中。光生载流子的定向运动形成光生电光生载流子的定向运动形成光生电流流Iph最大光生电流值为：最大光生电流值为：光电子技术研究所 式式中中N Nphph(E Eg g)为为每每秒秒钟钟投投射射到到电电池池上上能能量量大大于于E Eg g的的总总光光子子数数。考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为：考虑上述三种光学损失及材料吸收
14、之后，光生电流可表示为：Iphmax=qNph（Eg）)式中式中()为投射在电池上、波长为为投射在电池上、波长为，单位带宽的光子数；，单位带宽的光子数；i为量子产额，为量子产额，即一个能量大于带隙即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可令令i=1；dx为距电池表面为距电池表面xt处厚度为处厚度为dx的薄层；的薄层；H为电池厚度；为电池厚度；G（、x）表示由波长为）表示由波长为、单位带宽的光子射进材料在、单位带宽的光子射进材料在x处的产生率。处的产生率。光电子技术研究所 2光生少子的收集几率光生少子的收集几率fc在太阳电池内，由于
15、存在在太阳电池内，由于存在少子复合少子复合，所产生的每一个，所产生的每一个光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。光生少数载流子不可能百分之百地被收集起来。定义光激发少子中对太阳电池的短路电流有贡献的百分定义光激发少子中对太阳电池的短路电流有贡献的百分数为收集几率数为收集几率fc。该参数决定于电池内各区域的复合机。该参数决定于电池内各区域的复合机理，也与电池结构与空间位置有关。理，也与电池结构与空间位置有关。光电子技术研究所 太太阳阳光光的的光光强强在在=0.4=0.40.7m0.7m之之间间最最强强，极极大大值在值在0.48m(AM0)0.48m(AM0)和和0.53m(AM1.5)0.5
16、3m(AM1.5)。要要提提高高太太阳阳电电池池的的能能量量转转换换效效率率和和输输出出功功率率，就就必必须须充充分分利利用用太太阳阳能能。这这要要求求太太阳阳电电池池的的光光谱谱响响应与太阳光谱有一致的分布。应与太阳光谱有一致的分布。太太阳阳电电池池的的光光谱谱响响应应指指短短路路电电流流与与入入射射光光波波长长的的函函数数关关系系。就就是是指指某某一一波波长长下下，每每一一个个射射进进电电池池的光子，对应所能收集到的平均载流子数。的光子，对应所能收集到的平均载流子数。3太阳电池的光谱响应太阳电池的光谱响应SR（）光电子技术研究所 决定决定V Vococ大小的主要物理过程是半导体的复合。大小
17、的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，半导体复合率越高，少子扩散长度越短，V Vococ也就越低。也就越低。4影响开路电压的实际因素影响开路电压的实际因素光电子技术研究所 5串联电阻串联电阻Rs和旁路电阻和旁路电阻Rsh引引起效率下降起效率下降在在硅硅太太阳阳是是池池中中，由由硅硅材材料料体体电电阻阻、溥溥层层电电阻阻、电电极极接接触触电电阻阻及及电电极极本本身身传传导导电电流流的的电电阻阻构构成成了了总总串串联联电电阻阻Rs。Rs值值变变大大会会影影响响电电池池伏伏安安特特性性曲曲线线偏偏离离理理想想曲曲线线，使使FF变小，变小，Isc下降，因而效率也下降；下降，
18、因而效率也下降；而而旁旁路路电电阻阻Rsh变变小小，说说明明无无光光照照射射pn结结反反向向漏漏电电流流变大，造成变大，造成Voc下降，下降，FF变小变小,因而效率下降。因而效率下降。光电子技术研究所 由于地面及空间应用的太阳电池运用温度范围很宽，太阳电由于地面及空间应用的太阳电池运用温度范围很宽，太阳电池用的半导体材料，池用的半导体材料，其禁带宽度的温度系数一般都是负的。其禁带宽度的温度系数一般都是负的。6温度效应温度效应7辐照效应辐照效应应用在卫星上的太阳电池受到太空中高能粒子辐射，体内产应用在卫星上的太阳电池受到太空中高能粒子辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，可能影响其使用寿命
19、。生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，可能影响其使用寿命。随着温度上升，带隙变窄，增强电池对光的吸收而使随着温度上升，带隙变窄，增强电池对光的吸收而使Isc略略微上升；微上升；可是，带隙变窄会引起可是，带隙变窄会引起Io变大，而使变大，而使Voc下降，影下降，影响响FF也下降。也下降。综合这三个参数的变经，综合这三个参数的变经，转换效率随温度上升而下降。转换效率随温度上升而下降。光电子技术研究所 高效率和低成本是发展太阳电池的主要目标。高效率和低成本是发展太阳电池的主要目标。四四十十多多年年来来进进行行的的大大量量基基本本理理论论和和实实验验的的研研究究工工作作，把把单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池效
20、效率率从从6%提提高高到到24%，对对聚聚光光硅硅太太阳阳电电池池的的光光电电转转换换效效率率，在在100个个太太阳阳聚聚光光度度下下，已已达达到到27.5%，使使硅硅太太阳阳电电池池在在空空间间应应用用与与地地面面应应用用上上仍仍然然占占有有较重的地位。较重的地位。高效率太阳电池的发展高效率太阳电池的发展光电子技术研究所 在在化化合合物物半半导导体体中中，砷砷化化镓镓研研究究得得比比较较多多，工工艺艺较较成成熟熟。由由于于砷砷化化镓镓的的Eg值值比比硅硅大大，从从光光谱谱响响应应角角度度来来说说，更更适适合合于于做做太太阳阳电电池池。工工作作温温度度也也可可比比硅硅的的高高，在在聚聚光光高高
21、温温条条件件下下工作，具有它独特优点。工作，具有它独特优点。其其缺缺点点是是：砷砷化化镓镓材材料料成成本本高高。生生产产高高质质量量的的砷砷化化镓镓单单晶晶也也较较困困难难，加加上上电电池池制制备备工工艺艺难以控制减小表面复合速度，难以控制减小表面复合速度，光电子技术研究所 低成本太阳电池低成本太阳电池一、多晶硅太阳电池一、多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池是一种以多晶硅为基体材料的太阳电多晶硅太阳电池是一种以多晶硅为基体材料的太阳电池。通常，选用太阳电池级纯度以上的硅料，经过熔池。通常，选用太阳电池级纯度以上的硅料，经过熔铸及定向凝固后切片制得多晶硅片。铸及定向凝固后切片制得多晶硅片。电池制造工艺
22、基本上与单晶硅太阳电池的类同。两者差别电池制造工艺基本上与单晶硅太阳电池的类同。两者差别主要是多晶硅内存在不少晶粒边界，这给多晶硅太阳电池主要是多晶硅内存在不少晶粒边界，这给多晶硅太阳电池带来三方面的严重影响：带来三方面的严重影响：（1）晶粒边界处存在势垒，阻断载流子的通过：）晶粒边界处存在势垒，阻断载流子的通过：（2）晶粒边界这种晶体缺陷，起有效复合中心作用；）晶粒边界这种晶体缺陷，起有效复合中心作用；（3）形成）形成pn结的工艺处理中，掺杂剂沿着晶粒边界的影结的工艺处理中，掺杂剂沿着晶粒边界的影响，使多晶硅太阳电池具有较合适的电转换性能，响，使多晶硅太阳电池具有较合适的电转换性能，光电子技
23、术研究所 对多晶硅片的要求：对多晶硅片的要求：第一，绝大多数晶粒必须是柱状结构，以便光生第一，绝大多数晶粒必须是柱状结构，以便光生载流子朝上、下方向输运与积累载流子朝上、下方向输运与积累第二，晶粒横向尺寸越大，则晶粒边界的影响越小，第二，晶粒横向尺寸越大，则晶粒边界的影响越小，至少应大于少子扩散长度。至少应大于少子扩散长度。光电子技术研究所 其其微微观观原原子子排排列列是是“短短程程有有序序”，而而“长长程程无无序序”，包包含含有有大大量量的的悬悬挂挂键键、空空位位等等缺缺陷陷，因因而而有有很很高高的的带带隙隙状状态态密密度度（大大于于1020cm）因因此，纯此，纯a-Si在技术上并没有用途的
24、。在技术上并没有用途的。二、非晶硅太阳电池二、非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池是非常有希望的一种低成本太阳电池。非晶硅太阳电池是非常有希望的一种低成本太阳电池。它所用的非晶硅半导体材料简称它所用的非晶硅半导体材料简称a-Si（Amorphous Silicon）。）。光电子技术研究所 1975年年Spear等人利用辉光放电技术分解硅烷，等人利用辉光放电技术分解硅烷，研制出研制出a-Si H合金膜。该膜中氢原子填补了部分合金膜。该膜中氢原子填补了部分a-Si的悬挂键及其它缺陷，大大降低了带隙内的的悬挂键及其它缺陷，大大降低了带隙内的状态密度，使掺杂成为可能。状态密度，使掺杂成为可能。这一重大技术突破
25、，首先应用于这一重大技术突破，首先应用于a-Si太阳电池的太阳电池的研究与生产上。这是因为研究与生产上。这是因为a-Si有以下优点：有以下优点：光电子技术研究所 a-Si具具有有较较高高的的光光吸吸收收系系数数。在在0.3150.75m可可见见光光波波长长范范围围内内，a-Si光光吸吸收收系系数数约约比比硅硅的的高高出出一一个个数数量量级级。因因此此，很很薄薄（约约1m左左右右）的的a-Si太阳电池就能吸收大部分的可见光太阳电池就能吸收大部分的可见光a-Si的带隙（的带隙（1.52.0eV）比硅的（）比硅的（1.12eV）大，）大，制成制成a-Si太阳电池的开路电压高。太阳电池的开路电压高。制
26、备制备a-Si的工艺和设备简单，淀积温度低（的工艺和设备简单，淀积温度低（250500），时间短，耗能少。适宜于大批量生产。），时间短，耗能少。适宜于大批量生产。光电子技术研究所 光电器件光电器件-CCD光电子技术研究所 二二.CCD的结构和工作原理的结构和工作原理一一.引言引言CCD及其应用及其应用三三.CCD在位移测量中的应用在位移测量中的应用光电子技术研究所 19691969年秋，美国贝尔实验室年秋，美国贝尔实验室W WS SBoyleBoyle和和G GE ESmithSmith受到磁泡即圆柱形磁畴器件的启示，提出了受到磁泡即圆柱形磁畴器件的启示，提出了CCDCCD的概念。的概念。CC
27、DCCD是英文是英文ChargeCoupledDeviceChargeCoupledDevice的缩写，中的缩写，中文译为文译为“电荷耦合器件电荷耦合器件”。一一.引言引言CCDCCD是在是在MOSMOS晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，所以有人说，所以有人说，CCDCCD是是“一个多栅一个多栅MOSMOS晶体管，即在源与晶体管，即在源与漏之间密布着许多栅极、沟道极长的漏之间密布着许多栅极、沟道极长的MOSMOS晶体管晶体管”。光电子技术研究所 CCD自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界
28、的高度重视，日、美、英、前景，引起了各国科学界的高度重视，日、美、英、德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得技术的进展，使得CCD像素数剧增加，分辨率、灵敏像素数剧增加，分辨率、灵敏度大幅度提高，发展速度惊人。度大幅度提高，发展速度惊人。线阵线阵CCD已由第一代大踏步跃人第二代已由第一代大踏步跃人第二代CCPD(光电二光电二极管阵列极管阵列)。目前国外目前国外5000像素的线阵像素的线阵CCD已商品化，并对已商品化，并对4个个5000像素像素CCD进行拼接，实现了两万像素超长线阵进行拼接，实现了两万像素超长线阵CCD，获得了
29、相当大的动态范围，满足了星载、机载、，获得了相当大的动态范围，满足了星载、机载、空间监测等要求。空间监测等要求。光电子技术研究所 线线阵阵彩彩色色CCD已已实实现现了了10725像像素素，阵阵列列的的不不均均匀匀性性小小于于 1。面面 阵阵 CCD主主 要要 用用 作作 图图 像像 传传 感感 器器，已已 有有40964096像像素素的的商商品品出出售售，信信噪噪比比达达80dB，暗暗电电流流小小于于25pAcm2(27)，输输出出非非均均匀匀性性小小于于1，像像素素尺尺寸寸为为75um75m，探，探测测信号信号电电平平为为10个个电电子。子。最最近近美美国国仙仙童童公公司司已已研研制制成成功
30、功90009000像像素素的的超超大大阵阵列列CCD，为为高清晰度、超高分辨率探高清晰度、超高分辨率探测测奠定了基奠定了基础础。彩彩色色摄摄像像方方面面，市市场场上上已已有有10241024像像素素高高清清晰晰度度彩彩色色CCD摄摄像机出售。像机出售。微光探测方面微光探测方面，市场上已推出了，市场上已推出了10-9lx，水平分辨率，水平分辨率大于大于700TV线，动态范围线，动态范围4000：1的的CCD像机。像机。光电子技术研究所 对对CCDCCD来说，随着超大规模集成工艺的进展，来说，随着超大规模集成工艺的进展，CCDCCD不仅不仅研究水平不断提高，阵列元数不断增多，研究水平不断提高，阵列
31、元数不断增多，CCDCCD摄像机的摄像机的性能越来越好，而且更重要的是性能越来越好，而且更重要的是CCDCCD芯片的成品率不断芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降。提高，摄像机的价格大幅度下降。据据Security ManagementSecurity Management杂志发表的统计数据表明，杂志发表的统计数据表明，CCDCCD摄像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低摄像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低20206060。俄罗斯机器人综合研究所推出一种俄罗斯机器人综合研究所推出一种CCDCCD像机能在微光中像机能在微光中拍摄并分辨出比人头发丝还细的物体，其售价只有同拍摄并分辨
32、出比人头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的类管式摄像机的1 13 3。光电子技术研究所 1.CCD的物理基的物理基础础MIS结结构构众所周知，众所周知，CCD是由按照一定规律紧密排列起来的是由按照一定规律紧密排列起来的金属金属-绝缘体绝缘体-半导体半导体(MIS)电容阵列组成的。电容阵列组成的。MIS电容结构是电容结构是CCD的基本组成部分，的基本组成部分，CCD的工作的工作原理是建立在原理是建立在MIS电容理论之上，依靠在电容理论之上，依靠在MIS电容电容器上储存荷电载流子和转运荷电载流子。器上储存荷电载流子和转运荷电载流子。因此，认真分析一下因此，认真分析一下MIS电容结构特性，有
33、利于理电容结构特性，有利于理解解CCD的工作机理。的工作机理。CCD结结构及其工作原理构及其工作原理光电子技术研究所 MIS电容结构如图所示，电容结构如图所示，它十分类似于金属一绝它十分类似于金属一绝缘体一金属缘体一金属(MIM)平行平行板电容器，但有许多不板电容器，但有许多不同之处。同之处。例如在例如在MIM电容器的两个电容器的两个金属极板上施加电压时，金属极板上施加电压时，充电电荷分布在紧靠绝充电电荷分布在紧靠绝缘体的金属极板的原子缘体的金属极板的原子层厚度内，其电压全部层厚度内，其电压全部降落在绝缘体内。降落在绝缘体内。而对而对 MIS电容器施加电压时，电容器施加电压时，因半导体中的电荷
34、密度远小于因半导体中的电荷密度远小于金属的电荷密度，所以在半导金属的电荷密度，所以在半导体一侧，其电荷分布在半导体体一侧，其电荷分布在半导体表面一定厚度的层内，所加的表面一定厚度的层内，所加的电压一部分降落在绝缘层内，电压一部分降落在绝缘层内，另一部分则将降落在半导体表另一部分则将降落在半导体表面的空间电荷层中。面的空间电荷层中。图图MIS电电容容结结构构光电子技术研究所 同同时时在在半半导导体体中中有有两两种种极极性性不不同同的的载载流流子子电电子子和和空空穴穴，而而且且其其浓浓度度相相差差很很大大(如如在在硅硅中，多子和少子中，多子和少子浓浓度往往相差度往往相差1010倍倍)，因因此此，在
35、在MIS电电容容器器上上施施加加极极性性相相反反的的电电压压时时，半半导导体体表表面面电电荷荷层层各各处处的的电电荷荷极极性性、分分布和厚度大不相同。布和厚度大不相同。光电子技术研究所 若给若给MIS电容器电容器上施加一正向电上施加一正向电压压(VG)，则金属，则金属极板上带正电荷，极板上带正电荷，半导体上带负电半导体上带负电荷，在它们之间荷，在它们之间的绝缘层的绝缘层(氧化层氧化层)上将建立起电场上将建立起电场(EI)，但是因为，但是因为半导体中的自由半导体中的自由载流子密度远远载流子密度远远小于金属的自由小于金属的自由电子密度，电子密度，所以半导体中的面电荷就要扩展到相所以半导体中的面电荷
36、就要扩展到相当厚度的一层，即垂直电场的存在使当厚度的一层，即垂直电场的存在使半导体表面内形成具有相当厚度的空半导体表面内形成具有相当厚度的空间电荷区，间电荷区，对可见光对可见光CCD是以硅为基体材料的，绝缘体是以硅为基体材料的，绝缘体就是硅的氧化物，所以常为就是硅的氧化物，所以常为MOS电容结构。电容结构。MISMIS电容器电容器(a)(a)及电场及电场(电势电势)随深度变化图随深度变化图(b)(b)它起着对电场的屏蔽作用，使电场由界它起着对电场的屏蔽作用，使电场由界面至内逐渐减小，直到空间电荷区边界，面至内逐渐减小，直到空间电荷区边界，电场基本上被全部屏蔽，见上图。电场基本上被全部屏蔽，见上
37、图。光电子技术研究所 一、一、MOS电电容的容的热热平衡平衡态态特性特性 图图示示出出了了p p型型半半导导体体表表面面处处能能带带结结构构的的变变化化。图图中中E EC C为为导导带带低低，E EV V为为价价带带顶顶，E EF F为为费费米米能能级级，E Ei i为为半半导导体体在在本本征征导导电电情情况况的的E EF F，它它位位于于禁带中央附近。禁带中央附近。p型半型半导导体表面体表面处处能能带结带结构的构的变变化化(a)体内能体内能带带；(b)表面耗尽表面耗尽层层；(c)表面表面积积累累层层；(d)表面反型表面反型层层。如果表面的存在对电子运动没有如果表面的存在对电子运动没有任何影响
38、的话，如图任何影响的话，如图(a)所示，水所示，水平能量线将一直延伸到表面，并平能量线将一直延伸到表面，并与表面垂直。与表面垂直。但事实上表面的存在不可能不影响到但事实上表面的存在不可能不影响到表面附近的电子运动和表面附近的能表面附近的电子运动和表面附近的能带结构，表面附近的电子能量也不可带结构，表面附近的电子能量也不可能与体内的能量完全一样。能与体内的能量完全一样。光电子技术研究所 所有这些电荷总的效果等于是半导体表面施加了一个电场，所有这些电荷总的效果等于是半导体表面施加了一个电场，使得体内接近界面处的电子能带发生变化，从而使表面层内使得体内接近界面处的电子能带发生变化，从而使表面层内的电
39、荷重新分布。的电荷重新分布。如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为负电荷，那么它如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为负电荷，那么它的电场将排斥电子而吸引空穴，这样接近表面的电子能量增的电场将排斥电子而吸引空穴，这样接近表面的电子能量增大（如图）大（如图），表面处能带向上弯曲，近表面处空穴浓度增表面处能带向上弯曲，近表面处空穴浓度增大。大。也就是表面层内积累了相当数量的空穴来中和表面上的负也就是表面层内积累了相当数量的空穴来中和表面上的负电荷，所以表面层称做电荷，所以表面层称做“积累层积累层”。实际上表面常常不可避免的有实际上表面常常不可避免的有电荷吸附，在电荷吸附，在MOS结构中，半结构中，半导
40、体与绝缘体的交界面上导体与绝缘体的交界面上也由也由于晶格结构不连续而出现局域于晶格结构不连续而出现局域化电子能级，因而带有一定电化电子能级，因而带有一定电荷。荷。在绝缘体内甚至其外表面在绝缘体内甚至其外表面也可能有电荷存在。也可能有电荷存在。光电子技术研究所 能带弯曲的结果是使表面层剩下的负的受主离子及能带弯曲的结果是使表面层剩下的负的受主离子及少量电子来中和表面上的正电荷。少量电子来中和表面上的正电荷。在这一表面层内，载流子都被电场驱开，通常称为在这一表面层内，载流子都被电场驱开，通常称为“耗尽层耗尽层”或或“空间电荷层空间电荷层”，能带弯曲部分的深度，能带弯曲部分的深度就是耗尽层厚度就是耗
41、尽层厚度(W)。反之，如果界面上以及氧反之，如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为正化层内总的有效电荷为正电荷，则近表面的电子能电荷，则近表面的电子能量降低，能带将向下弯曲。量降低，能带将向下弯曲。如图如图(b)所示，所示，空穴被电场驱向体内，空穴被电场驱向体内，在表面层内留下带负电的受主离子在表面层内留下带负电的受主离子浓度浓度(NA)。光电子技术研究所 通通常常以以体体内内的的Ei为为电电势势的的零零点点，在在表表面面上上Eis相相对对于于Ei的的位位置置称称为为表表面面势势(Vb)。能能带带向向上上弯弯曲曲表表面面势势为为负负，能带向下弯曲表面势为正。能带向下弯曲表面势为正。从表面到从表面
42、到Ei与与EF相交点的一薄相交点的一薄层层内内变变成成N型型导电导电，在，在这这n型型层层与体内与体内p型型导电导电区之区之间间仍是耗尽仍是耗尽层层，两，两层总层总厚厚为为W。如果表面及氧化层内的正电荷密度如果表面及氧化层内的正电荷密度更大更大(外加电压情况外加电压情况)，则能带在表，则能带在表面处的向下弯曲将更为严重，以致面处的向下弯曲将更为严重，以致在表面形成一层反型层，如图在表面形成一层反型层，如图(d)所示。所示。光电子技术研究所 二、二、MOSMOS电容的非平衡态特性电容的非平衡态特性 仍仍以以p p型型半半导导体体为为例例，若若以以外外加加电电压压(V(Vp p)的的正正极极接接到
43、到栅栅极极，负负极极接接到到半半导导体体的的底底板板(V(Vp p的的值值足足够够大大)使使半导体近界面处的能带下弯到进入反型层，半导体近界面处的能带下弯到进入反型层，当当V Vp p刚刚加加到到MOSMOS电电容容器器上上的的瞬瞬间间，在在介介电电弛弛豫豫时时间间(约约1010-12-12S)S)内，金属电极上即感应生成负电荷。内，金属电极上即感应生成负电荷。半半导导体体中中，只只有有多多子子(空空穴穴)能能够够跟跟得得上上这这个个变变化化，少子少子(电子电子)在介电弛豫时间内没有变化。在介电弛豫时间内没有变化。光电子技术研究所 在在近近界界面面层层内内留留下下了了同同样样数数目目的的NA，
44、这这时时的的能能带带结结构构如如图图(a)所所示示，外外加加电电压压(Vs)大大部部分分降降落落在在半半导导体体的的空空间间电电荷荷层层内内，只只有有一一小小部部分分(V0)降降落落在在绝绝缘缘层层上上，这这时时近近界界面面虽虽是是强强反反型型层层，但但电电子子尚尚没没有有产产生，生，实质实质上是空的上是空的电电子子势势阱。阱。这这是一个非平衡状是一个非平衡状态态，图图MOS电电容在外加容在外加电压电压下，下，表面附近的能表面附近的能带结带结构构 (a)电压刚加上去的一瞬间；电压刚加上去的一瞬间；(b)到达热平衡后。到达热平衡后。在在此此之之后后，快快态态(即即半半导导体体与与绝绝缘缘层层之之
45、间间的的界界面面态态)可可能能产产生生电电子子一一空空穴穴对对，体体内内热热激激发发而而产产生生的的电电子子-空空穴穴对对，其其中中电电子子在在电电场场作作用用下下进进入入势势阱阱，空空穴穴则则被被赶赶入入体体内内，势势阱阱中中电电子子的的填填入入，使使此此处处能能带带抬高，最后恢复到抬高，最后恢复到热热平衡状平衡状态态，如，如图图(b)所示。所示。这这时时降降落落在在绝绝缘缘层层的的电电压压增增加加，而而降降落落在在半半导导体体空空间间电电荷荷层层的的电电压压则降低。则降低。光电子技术研究所 从从非非平平衡衡态态的的建建立立到到达达热热平平衡衡所所需需要要的的时时间间(也也可可以以说说是是热
46、热激激发发所所产产生生的的电电子子填填满满势势阱阱所所需需的的时间时间)称为存储时间即称为存储时间即T=2T=20 0N NA A/n/ni i式中，式中，0为为耗尽区少子寿命；耗尽区少子寿命；ni为为本征本征载载流子流子浓浓度。度。T的大小主要取决于硅晶体的完整性。完美硅的大小主要取决于硅晶体的完整性。完美硅单单晶晶的的T达几秒到几十秒。达几秒到几十秒。CCD工作主要的基工作主要的基础础是非平衡状是非平衡状态态，在，在这这个状个状态态下，下，势势阱可用来阱可用来储储留信号留信号电电荷，也可以用来使信号荷，也可以用来使信号电电荷荷从一个从一个势势阱阱转转移到相移到相邻邻的另一个的另一个势势阱。
47、阱。光电子技术研究所 CCD的的组组成及其工作原理成及其工作原理 CCDCCD主主要要由由3 3个个部部分分组组成成，即即信信号号输输入入部部分分、信信号号电荷转移部分和信号输出部分。电荷转移部分和信号输出部分。一、输入部分一、输入部分 输入部分的作用是将信号电荷引入到输入部分的作用是将信号电荷引入到CCDCCD的第一个的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式取决于应用。转移栅下的势阱中。引入的方式取决于应用。n在滤波、延迟线和存储器应用情况下是用电注在滤波、延迟线和存储器应用情况下是用电注入的方法将电荷提供给入的方法将电荷提供给CCDCCD，n在摄像应用中是依靠光注入的方式引入在摄像应用中是依靠
48、光注入的方式引入。光电子技术研究所 电注入机构是由一个输入二极管和一个或几个输入栅电注入机构是由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压构成，它可以将信号电压(电流电流)转换为势阱中等效的转换为势阱中等效的电荷包，即给输入栅施加适当的电压，在其下半导体电荷包，即给输入栅施加适当的电压，在其下半导体表面形成一个耗尽层。表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这时输入栅下的耗尽层就相当于一个这时输入栅下的耗尽层就相当于一个“通道通道”
49、，受输，受输入信号调制的电荷入信号调制的电荷信号电荷包就会从输入二极管信号电荷包就会从输入二极管经过经过“通道通道”流人第一个转移栅下所形成的耗尽层流人第一个转移栅下所形成的耗尽层(势势阱阱)中，于是输入栅电压消失，输入过程完成。中，于是输入栅电压消失，输入过程完成。也可将信号加在栅上，通过信号调制，控制栅下通道也可将信号加在栅上，通过信号调制，控制栅下通道进行注入。进行注入。光电子技术研究所 CCD的输入方式有场效应管的输入方式有场效应管(MOSFET)输入、注入二极管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入等。输入、电势平衡法输入等。图给出了图给出了MOSFET注入方式注入方式的结构和时钟波形
50、。的结构和时钟波形。我们以此为基础，简述一下我们以此为基础，简述一下注入过程：注入部分是一个注入过程：注入部分是一个高掺杂的高掺杂的n+区，构成区，构成n+P二二极管。输入栅极管。输入栅(in)相当于相当于MOSFET的控制栅，的控制栅，1、2、分别为转移栅。第一个转分别为转移栅。第一个转移栅移栅(1)即相当于即相当于MOSFET的漏。的漏。光电子技术研究所 当当1 1处于高电位时，其下的表面势处于高电位时，其下的表面势(V(Vs s)大，大，所对应的势阱深所对应的势阱深(图图(b)(b)，如果这时注入，如果这时注入二极管二极管n n+p p结处于正偏，并在输入栅结处于正偏，并在输入栅(ini