การสร้างประจุ

ก่อนที่ตัวเก็บประจุ MOS จะสัมผัสกับแสง พวกมันจะถูกไบอัสเข้าสู่ภูมิภาคการสูญหาย นั่นคิอใน CCDs n-channel ซิลิกอนภายใต้ gate ที่ไบอัสถูกโด๊ปให้เป็น p เล็กน้อย จากนั้น gate จะถูกไบอัสที่แรงดันบวกที่สูงเหนือเกณฑ์สำหรับการผกผันที่แข็งแกร่ง ซึ่งในที่สุดจะส่งผลในการสร้าง n-channel ใต้ gate เหมือนอย่างใน MOSFET อย่างไรก็ตาม มันต้องใช้เวลาที่จะไปถึงจุดสมดุลทางอุณหภูมินี้ หลายชั่วโมงในกล้องทางวิทยาศาสตร์ระดับไฮเอนด์ที่ถูกทำให้เย็นที่อุณหภูมิต่ำ[15] เริ่มแรกหลังจากการไบอัส hole จะถูกผลักให้ไกลเข้าไปในทิศทางของสารตั้งต้นและไม่มีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้จะอยู่ที่หรือใกล้ผิวหน้า CCD จึงทำงานในสภาวะไม่สมดุลที่เรียกว่าการสูญเสียลึก[16] จากนั้น เมื่อคู่อิเล็กตรอน-โฮลถูกสร้างขึ้นในภูมิภาคสูญเสีย พวกมันจะถูกแยกจากกันโดยสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะย้ายไปยังพื้นผิวและโฮลจะย้ายไปยังสารตั้งต้น สี่ขั้นตอนการสร้างคู่สามารถระบุได้ดังนี้ :

1. การสร้างแสง (สูงถึง 95% ของประสิทธิภาพควอนตัม)
2. การสร้างในภูมิภาคสูญเสีย
3. การสร้างบนพื้นผิว และ
4. การสร้างในกลุ่มเป็นกลาง

สามกระบวนการสุดท้ายเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นการสร้างแบบ dark-current, และเพิ่มเสียงขบกวนให้กับภาพ, พวกมันสามารถจำกัดเวลาบูรณาการที่ใช้ประโยชน์ได่ทั้งหมด การสะสมของอิเล็กตรอนที่หรือใกล้พื้นผิวสามารถดำเนินการต่อได้ทั้งจนกระทั่งการบูรณาการภาพเสร็จสิ้นและประจุเริ่มต้นที่จะถูกถ่ายโอน หรือถึงจุดสมดุลอุณหภูมิแล้ว ในกรณีนี้ บ่อจะถูกเรียกได้ว่าเต็มแล้ว (โดยปกติจะตรงกับประมาณ 105 อิเล็กตรอนต่อพิกเซล[17])

การออกแบบและการผลิต

ภูมิภาค photoactive ของ CCD โดยทั่วไปเป็นชั้น epitaxial ของซิลิกอน มันถูกโด็ปเบาๆด้วย p (มักจะเป็นโบรอน) และถูกเลี้ยงให้โตเป็นสารตั้งต้น, ปกติเป็น p++ ในอุปกรณ์ buried-channel ประเภทของการออกแบบที่ใช้ใน CCDs ที่ทันสมัยที่สุด พื้นที่บางส่วนของพื้นผิวของซิลิกอนจะถูกปลูกถ่ายด้วยฟอสฟอรัส ให้พวกมันถูกกำหนดเป็น n-doped ภูมิภาคนี้จะกำหนดช่องทางในที่ซึ่งแพ็คเก็ตของประจุที่ผลิตด้วยแสงจะเดินทาง ไซมอน Sze ได้ให้รายละเอียดข้อได้เปรียบของอุปกรณ์ buried-channel ดังนี้[18]

ชั้นบางนี้ (= 0.2-0.3 นาโนเมตร) จะสูญเสียหมดอย่างสิ้นเชิงและประจุที่ผลิตด้วยแสงที่ถูกสะสมไว้จะถูกเก็บให้ห่างจากพื้นผิว โครงสร้างแบบนี้มีข้อได้เปรียบของการที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายโอนที่สูงกว่าและมี dark current ที่ต่ำกว่า, จากการรวมตัวกันใหม่ของพื้นผิวที่ลดลง โทษของมันคือความจุของประจุมีน้อยกว่า ประมาณ 2-3 เมื่อเทียบกับ CCD แบบ surface-channel

gate ออกไซด์ เช่น ไดอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุ ถูกปลูกบนยอดของชั้น epitaxial และ สารตั้งต้น

ต่อมาในกระบวนการ gate โพลีซิลิคอนจะถูกฝังลงไปโดยการสะสมไอสารเคมี ที่ถูกทำลวดลายด้วย photolithography, และฝังในลักษณะที่ gate ที่ถูกแยกเป็นเฟสจะวางตั้งฉากกับแชนแนล แชนแนลถูกกำหนดต่อไปโดยการใช้ประโยชน์จากกระบวนการ LOCOS เพื่อผลิตภูมิภาค channel stop

Channel stop ถูกวางออกไซด์ด้วยความร้อนที่ทำหน้าที่ในการแยกแพ็คเก็ตของประจุในหนึ่งคอลัมน์ห่างจากตัวอื่น Channel stop เหล่านี้ถูกผลิตก่อน gate โพลีซิลิคอน เมื่อกระบวนการ โลคอสใช้ขั้นตอนอุณหภูมิสูงที่จะทำลายวัสดุที่เป็น gate. Channel stop อยู่ขนานกับ, และเป็นพิเศษกับ, ช่องทาง, หรือภูมิภาค "ตัวขนส่งประจุ"

Channel stop มักจะมีพื้นที่ที่ถูกโด็ป p+ ภายใต้ตัวมัน, เป็นตัวกั้นต่อไปของอิเล็กตรอนในแพ็คเก็ตประจุ (การอภิปรายอันนี้ของฟิสิกส์ของอุปกรณ์ CCD จะถือว่าอุปกรณ์จะถ่ายโอนอิเล็กตรอน แม้ว่าจะโฮลก็ถ่ายโอนได้ )

สัญญาณนาฬิกาของ gate, ที่สลับกันสูงและต่ำ, จะไบอัสข้างหน้าและกลับหลังตัวไดโอดที่มีให้โดยช่องที่ถูกฝังไว้ (n-doped) และชั้น epitaxial (p-doped) นี้จะทำให้ CCD สูญเสีย, ใกล้ p-n junction และจะเก็บรวบรวมและเคลื่อนย้ายแพ็คเก็ตประจุภายใต้ gate--และภายใน channel--ของอุปกรณ์

การผลิตและการทำงานของ CCD สามารถถูกเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับการใช้ที่แตกต่างกัน กระบวนการดังกล่าวจะอธิบายว่าเป็นการถ่ายโอนเฟรมของ CCD ในขณะที่ CCDs อาจถูกผลิตบนเวเฟอร์ที่ถูกโด็ปด้วย p++ อย่างหนัก ก็ยังเป็นไปได้ที่จะผลิตอุปกรณ์ภายในบ่อ-p ที่ถูกวางอยู่บนเวเฟอร์-n วิธีที่สองนี้ตามรายงานว่าได้ลดรอยเปื้อน, dark currentและการตอบสนองต่ออินฟาเรดและสีแดง วิธีการของการผลิตนี้จะถูกใช้ในผลิตอุปกรณ์ interline-transfer

เวอร์ชันของ CCD อื่นที่เรียกว่า peristaltic CCD การถ่ายโอนแพ็คเก็ตประจุจะคล้ายคลึงกับ peristaltic contraction และการขยายตัวของระบบย่อยอาหาร Peristaltic CCD มีการปลูกเพิ่มเติมที่ช่วยให้ประจุออกห่างจากอินเตอร์เฟซของซิลิกอน/ซิลิกอนไดออกไซด์และสร้างสนามไฟฟ้าด้านข้างขนาดใหญ่จาก gate หนึ่งไปยังอีก gate หนึ่ง สิ่งนี้จะให้แรงผลักดันเพิ่มเติมเพื่อช่วยในการถ่ายโอนแพ็คเก็ตประจุ