BCCD CTI跃变函数的物理机制与具体形式

Generally, it is recognized that the problem of BCCD(Buried Channel Charge Coupled Device) charge transfer loss has been well solved, and the CTI(charge transfer inefficiency)can be neglected. However, in recent experiment, we found the serious smearing of laser spot in BCCD which indicate serious charge transfer loss. So, we put forward a CTI jump function about charge quantum of BCCD. In this item, we will build the physical model of BCCD, explore the physical mechanism of CTI jump function, and then present a new detailed CTI jump function model, including charge quantum threshold value for CTI jumping, expression of the CTI varing with charge quantity, and the relation between CTI function and parameters of BCCD's structure and driving. On the basis of above theoretical work, we give the quantitive simulation and device optimization against smearing effect of laser spot in BCCD. At last, we design the related experiments to verify the theory results. If the above investigation can be achieved, the knowledge to BCCD device physics can be hopefully enriched, which will provide theoretical basis for data modification in some measurement work combing laser with BCCD, and will be possible to provide a little strength for betterment of our backward state that we can't produce the finer CCD devices yet.

一般认为，体沟道CCD（BCCD）的电荷转移损失问题已经得到很好的解决，即其电荷转移损失率(CTI)可以忽略。但在近期实验中，我们发现了BCCD激光光斑因较严重的电荷转移损失而出现明显的饱和性单侧拖尾现象。据此，我们提出了BCCD CTI关于电荷量的跃变函数模型。项目拟建立BCCD器件的物理模型，探索其CTI跃变函数模型的物理支撑机制，给出CTI跃变电荷量阈值及其物理意义，给出CTI跃变后随电荷量变化的具体形式，给出CTI跃变模型与BCCD结构、驱动参数之间具体关系。在上述理论工作的基础上，可进一步实现对BCCD激光光斑拖尾的定量模拟和针对光斑拖尾问题的器件优化。设计相关实验，对以上理论研究的结果进行验证。若研究取得成功，有望深化对BCCD器件物理的认识，一方面为激光与BCCD结合测量工作中的信号矫正提供理论基础，另一方面为改善我国在CCD器件研发生产方面较为落后的现状作出一点贡献。

研究综合运用体沟道CCD(BCCD)物理模型的分析、BCCD信号拖尾建模仿真和BCCD激光辐照实验等方法，基本阐明了BCCD电荷转移损失率(CTI)随单元存储电荷量QS跃变的问题。主要包括CTI跃变的物理机制与数学表达式、CTI跃变引发的信号畸变规律和CTI跃变电荷量阈值的提高措施。基于BCCD物理模型的分析，提出CTI随QS跃变的可能机制；通过一定的实验对其进行初步排查，进而分析确认CTI跃变的主要机制。在BCCD中，在特定偏置条件下，随着QS的增加，信号电荷将会接触半导体与绝缘层界面并在界面形成一定堆积；堆积电荷因受界面态俘获与延迟释放的作用而有较大的CTI；这造成信号电荷整体CTI的跃升。CTI随QS的跃变实质是界面堆积电荷量σS随QS的跃变，其跃变阈值为表面饱和电荷量Qsf，即信号电荷刚接触界面时的QS。通过BCCD物理模型，推导了给出了界面堆积电荷量σS随QS跃变的函数关系式，给出了Qsf与器件掺杂、尺寸与驱动电压幅值的关系式；再以常数模型描述σS的CTI，忽略QS其余部分的转移损失，即得到QS的CTI数学表达式；讨论了BCCD中信号电荷在溢出势阱之前能够先接触界面的特定偏置条件。基于CTI关于QS的函数关系式，建立了BCCD信号拖尾的仿真模型；通过BCCD激光辐照实验对仿真模型进行了验证，从而也验证了CTI跃变的物理机制与函数关系。综合理论与实验结果，总结了BCCD信号拖尾的基本规律以及与器件具体特征相关的特殊规律。根据其中双沟道线阵CCD的拖尾末端振荡的特殊规律，提供了一种用以检验双沟道中Qsf参数相对大小的方法。基于对BCCD中信号电荷在溢出势阱之前能够先接触界面的特定偏置条件讨论，给出了将表面饱和电荷量提高至溢出势阱临界电荷量的偏置条件。BCCD电荷转移损失率(CTI)随单元存储电荷量QS跃变的问题的阐明，既丰富了对BCCD器件物理的认识，完善了器件的CTI模型，也为BCCD针对由CTI跃变所致光斑拖尾问题的信号矫正与设计改进提供了一定的理论依据。