ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ ПРИМЕНЕНИЕ

Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы.

Неизвестный Сергей Иванович

Никулин Олег Юрьевич

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ.

УСТРОЙСТВО И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) относятся к классу твердотельных полупроводниковых приемников.

Первыми приемниками такого типа были фотодиоды и уже на заре своего появления они позволили сделать гигантский скачок в области регистрации световых потоков и изображений. Достаточно упомянуть в качестве примера удачную регистрацию с помощью фотодиода явления солнечного затмения, наблюдавшегося берлинскими учеными в Египте в 1911 году.

С тех пор прошло много времени, фотодиоды совершенствовались, но их основной недостаток — одноканальность, все же не позволил им найти широкого применения. С конца 30-х годов среди светоприемников начали появляться телевизионные трубки, завоевавшие к концу 70-х лидирующее положение в этой области.

Было разработано сравнительно много приборов различных типов: ортиконы, изоконы, секоны, видиконы, плюмбиконы (в телевизионном вещании трубки с обратным пучком), кремниконы и суперкремниконы, диссекторы (специализированные трубки с повышенной квантовой эффективностью) и т.д.

Все они имели ряд серьезных недостатков: большие размеры, низкую квантовую эффективность (на уровне 5-10%), малый динамический диапазон и т.д.

Революционное изменение ситуации произошло с появлением твердотельных полупроводниковых приемников нового поколения. Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95-98%, т.е. практически каждый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100% вероятностью.

В 1970 году были созданы первые приборы с зарядовой связью, в которых технология твердотельных приемников проявилась особенно успешно.

Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители фотодиодов, матриц фотодиодов. С наибольшим успехом ПЗС-матрицы регистрировали слабые световые потоки в таких отраслях, как микробиофизика, химическая физика, ядерная физика, астрофизика.

С 1975 года ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприёмников. А в 1989 году ПЗС-детекторы применялись уже почти в 97% всех телевизионных приемников. Для сравнения, 10 годами ранее ПЗС были представлены всего двумя процентами.

Долгое время широкому применению ПЗС-приемников в телевизионной технике препятствовали недостатки в технологиях изготовления светочувствительных элементов — кристаллических основ необходимого размера. Светоприемная область была неоднородна по квантовому выходу, наблюдалась заметная геометрическая нестабильность (плавающее низкое разрешение), присутствовали разного рода шумы как на малых масштабах (от пиксела к пикселу), так и на больших пространственных масштабах (на шкалах 10-100 пиксел).

Фото 1.

Фото одной из первых советских ПЗС матриц (размер светочувствительной области 20х2 пиксела)

Только с развитием и совершенствованием технологии создания ПЗС и с существенным скачком в развитии сопутствующих электронных средств и, прежде всего, с увеличением мощностей и быстродействия АЦП, стало возможным более широкое применение ПЗС.

Поставив на конвейер производство изначально дорогих чипов, многие фирмы добились резкого снижения их себестоимости. Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение их габаритов и веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в эксплуатации позволили применять их не только в профессиональных студиях, в научных исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. Сегодня телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами пиксела в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной микровидеотехники.

Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется несколькими фирмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. Хотелось бы поставить в один ряд с этими мастодонтами и российскую фирму — Научно-производственное предприятие “Силар” (бывший отдел по разработке твердотельных приемников изображения ЦНИИ “Электрон”) из Санкт-Петербурга, которая является единственным в России производителем ПЗС-матриц, применяемых в научных, охранных и других целях.

Физические принципы работы ПЗС-матрицы

Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры) научились получать в конце 50-х годов. Были найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника. Тем самым уже через 10 лет были заложены предпосылки для изобретения приборов с зарядовой связью.

С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью.

На рис. 1 показана структура одного элемента, линейного трехфазного ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним происходит накопление заряда. Полупроводник р-типа, получают добавлением (легирование) к кристаллу кремния акцепторных примесей, например, атомов бора. Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные положительно заряженные носители — дырки. Дырки в полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда: свободных электронов там очень мало. Если теперь подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным электродом образуется область обедненная основными носителями — дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это означает, что под электродом формируется потенциальная яма.

Рис. 1.

Элемент трехфазного П3С. Пиксел — элемент изображения.

В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда, в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда — электрон и дырка. Электростатическое поле в области пиксела “растаскивает” эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся — диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается.

Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода, будет уменьшен (см. рис. 2). Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо, по рисункам). Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Рис. 2.

Перенос зарядов в трехфазном ПЗС.

Типы и строение ПЗС-матриц для систем охранного телевидения

Большинство типов ПЗС-матриц, изготавливаемых на промышленной основе, ориентированы на применение в телевидении, и это находит отражение на их внутренней структуре.

Как правило, такие матрицы состоят из двух идентичных областей — области накопления и области хранения. Устройство схематически показано на рис. 3.

Рис. 3.

Структура ПЗС с кадровым переносом.

По отношению размеров областей хранения и накопления матрицы делятся на 2 типа:

• матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки;
• матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки.

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Очевидно, что для работы таких матриц требуется оптический затвор.

Область хранения защищена от воздействия света светонепроницаемым покрытием. Во время обратного хода луча кадровой развертки телевизионного монитора изображение, сформированное в области накопления, быстро переносится в область хранения и, затем, пока экспонируется следующий кадр, считывается построчно с частотой строчной развертки в выходной сдвиговый регистр. Параллельный перенос строки в регистр считывания происходит во время обратного хода строчной развертки. Из сдвигового регистра зарядовые пакеты выводятся друг за другом, последовательно через выходной усилитель, расположенный на этом же кристалле кремния. В этом узле происходит преобразование заряда в напряжение для дальнейшей обработки сигнала внешней электронной аппаратурой. Такие приборы называются ПЗС с кадровым переносом. Они широко используются в бытовой видеотехнике, особенно любительской, благодаря их низким ценам. Приборы с кадровым переносом можно использовать для съемок в хорошо освещенных условиях. Применение подобных ПЗС позволяет использовать видеокамеры без дорогостоящих механических затворов.

ПЗС, сконструированные для применения в условиях слабой освещенности, как правило, изготавливаются без области хранения и часто имеют два сдвиговых регистра на противоположных сторонах прибора, как, например, ПЗС фирмы Tektronix ТК512. Изображение можно сдвинуть в любой из этих регистров, которые могут отличаться конструкцией выходного узла. Обычно, один из них оптимизируется для медленных скоростей считывания, другой для быстрых. На время вывода сигнала такая матрица должна быть экранирована от света. Для этого чаще всего используют механические затворы.

ПЗС с черезстрочной (межстрочной) разверткой хорошего качества современной разработки выпускает, например, фирма Philips. Такими матрицами снабжены телекамеры серии LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 снабжена автоматическим электронным затвором 1/50 — 1/100000 сек, работающим с форматом матрицы 1/3 дюйма и размером 752х582 пиксел.

Самые простые по устройству ПЗС состоят из электродной структуры, осажденной прямо на слой изолятора, сформированного на поверхности пластины однородно легированного р-кремния. Заряд накапливается и переносится непосредственно в приповерхностном слое полупроводника. Такие приборы называются ПЗС с поверхностным каналом. Для поверхностного слоя характерно большое количество дефектов, что негативно влияет на эффективность переноса зарядов. Заряды захватываются на дефектах поверхностного слоя и медленно высвобождаются. Это приводит к размазыванию изображения. Дефекты поверхностного слоя могут также спонтанно эмитировать заряды, приводя к увеличению темнового сигнала (тока). Поверхностные состояния являются фактором, ограничивающим работоспособность ПЗС. Полностью избавиться от поверхностных состояний невозможно, но можно значительно улучшить характеристики прибора, храня и передавая зарядовые пакеты на некотором удалении от поверхности кристалла, т.е. сформировав объемный канал переноса. Этого результата можно достичь, если на подложке р-типа создать под окислом тонкий n-слой. Подобные приборы называются ПЗС с объемным каналом. Аналогичные рассуждения справедливы и относительно конструкции выходного усилителя, т.к. поверхностные дефекты могут очень сильно увеличивать шум усилителя. Выходной усилитель с объемным каналом имеет значительно лучшие характеристики.

Толщина рабочей части приборов с зарядовой связью составляет единицы микрон. Изготавливаются они, как правило, на основе очень тонких полупроводниковых плёнок, выращенных на сравнительно толстом основании — подложке. Для выращивания плёнок на подложках разработано несколько методов, носящих общее название эпитаксиальных.
Термин “эпитаксия” составлен из двух греческих слов: “эпи” (на, поверх) и “таксис” (расположение в порядке). Очень удачный термин, напоминающий о том, что речь идет о выращивании поверх подложки монокристаллического (упорядоченного) слоя материала. Выращенные эпитаксиальные пленки гораздо меньше загрязняются посторонними примесями. В процессе эпитаксии возможно строго контролируемое легирование растущего слоя.

Электроды ПЗС в течение некоторого времени после изобретения чаще всего изготавливались в одном слое металла. Слой алюминия толщиной около 1 мкм наносили на прибор испарением. Затем путем фотолитографии формировали электроды. Наиболее критичным этапом в технологическом цикле изготовления одноуровневой структуры этого типа является вытравливание межэлектродных зазоров. Для обеспечения хорошего переноса зарядовых пакетов надо, чтобы потенциальные ямы соседних электродов перекрывались. Глубина потенциальной ямы зависит от степени легирования кремния и величины приложенного к электроду потенциала. Типичные значения — единицы микрон. Отсюда следует, что межэлектродные зазоры не должны быть больше единиц микрон. Суммарная длина этих узких зазоров в больших приборах весьма велика.

Для слаболегированного материала подложки (концентрация атомов акцептора около 10 ¹⁵
1/см ³
, толщина окисла 0.1 мкм и умеренный размах тактовых импульсов порядка 10 В) обедненный слой проникает в кремний на глубину примерно 1 мкм. Вспомним, что в каждом кубическом сантиметре твердого вещества содержится примерно 10 ²²
атомов. Концентрация 10 ¹⁵
атомов примеси в 1 см ³
соответствует 1 атому примеси на 10 миллионов атомов Si.

Понятно, что любое случайное замыкание соседних электродов, произошедшее на одной из операций технологического цикла, полностью выведет прибор из строя. Последующее развитие ПЗС-технологии было направлено на создание структур, свободных от недостатков первых технологий и работающих с более простыми управляющими напряжениями.

П3С для применения в качестве приемников изображения изготавливают с поликремниевыми электродами (кремний, осаждаемый из газовой фазы). После легирования бором или фосфором для достижения достаточно низкого сопротивления его можно использовать в качестве проводящего слоя. Термическое же окисление поликремния позволяет получить качественный межфазный диэлектрик, а его прозрачность облегчает использование ПЗС в качестве приемников изображения. Применение этой технологии позволило осуществлять регистрацию света не со стороны электродов (такой тип регистрации имеет много недостатков, так как полезный световой сигнал частично виньетируется электродами), а с противоположной стороны. Такие матрицы называются back illuminated.

Благодаря применению новейших высокоточных технологий в изготовлении ПЗС, эти приемники излучения в настоящее время стали доминирующими в телевизионных системах и вывели их на принципиально новый уровень, существенно расширив функциональные возможности ПЗС и сделав доступными по себестоимости для широкого применения.

О наиболее важных свойствах, основных характеристиках ПЗС и телесистем на их основе мы расскажем в следующих номерах журнала.

Физические
процессы в одной МДП-структуре были
рассмотре­ны в § 7.4.2. При определенном
значении положительного напряже­ния
на затворе, называемом пороговым U
_пор

,
концентрация электро­нов в поверхностном
слое станет равной концентрации дырок
(как и в собственном полупроводнике), а
при U

>
U
_пор

у поверхности про­изойдет образование
«инверсионного» слоя n-типа,
отделенного от подложки р-n-переходом.
Непосредственно под электродом
образу­ется «потенциальная яма», в
которой могут храниться электроны.
«Глубина» этой потенциальной ямы зависит
от значения приложен­ного напряжения,
степени легирования полупроводника и
толщины слоя диэлектрика. При подаче
напряжения на соседний электрод (затвор)
под ним также появляется потенциальная
яма. Если рас­стояние между соседними
электродами велико, так что их поля не
взаимодействуют, то в каждой потенциальной
яме может независи­мо храниться свой
заряд (пакет) электронов. При малых же
рассто­яниях между электродами их
электрические поля будут взаимодей­ствовать.
Если положительное напряжение U
₂

на затворе 2 окажет­ся больше напряжения
U
₁

на затворе 1, то возникающее ускоряю­щее
поле Е

заставит электроны дрейфовать в область
с более высо­ким потенциалом: из
«мелкой» потенциальной ямы под первым
за­твором в более «глубокую» под
вторым затвором.

Так можно обеспечить
перенос заряда электронов из одной
потенциальной ямы в другую. Время
существования потенциаль­ной ямы
ограничено паразитным процессом
термогенерации пар носителей. Дырки
под действием электрического поля в
переходе инверсионный слой – подложка
уходят в толщу р-полупроводника, а
электроны накапливаются, заполняя
потенциальную яму и создавая «фон».
Процесс этот паразитный и неконтролируемый.
Время, необходимое для заполнения
потенциальной ямы вслед­ствие
термогенерации, называется временем
релаксации. Следо­вательно, хранение
в потенциальных ямах зарядовых пакетов,
несущих информацию о значении полезного
сигнала, возможно в промежуток времени,
существенно меньший по сравнению с
вре­менем релаксации.

МДП-конденсатор
может служить элементом, запоминающим
на некоторое время информацию,
соответствующую заряду в по­тенциальной
яме.

Основные режимы
работы ПЗС – хранение информации в виде
заряда в одном или нескольких конденсаторах
и перенос заряда из одного конденсатора
в следующий вдоль цепочки. В цифровых
уст­ройствах наличие заряда означает
лог. 1, а отсутствие заряда – лог. 0. В
аналоговых устройствах количество
заряда будет повторять за­кон изменения
сигнала. Таким образом, электрический
сигнал в ПЗС представлен не током или
напряжением, как в интегральных схемах
на транзисторах, а зарядовым пакетом.

Д
ля
неоднократного переноса заряда в нужном
направлении каждый электрод (затвор)
подключен к одной из тактовых шин (фаз) Ф
₁

,
Ф
₂

,
Ф
₃

.

Трехфазный ПЗС изображен на рис. 12.8.
Один элемент ПЗС состоит из трех ячеек
МДП-конденсаторов. К этим шинам подается
необходимая последовательность тактовых
им­пульсов с разной амплитудой (рис.
12.9), которая переносит заря­довый
пакет вдоль поверхности. В течение
интервала времени ti
на электроды
фазы Ф
₁


подают
положительное напряжение

.

Под этими
электродами создаются глубокие
потенциальные ямы для электронов. Будем
считать, что слева от первого электрода
на­ходится элемент ввода заряда
информации. Этот заряд переходит под
электрод 1 в более глубокую потенциальную
яму. Режим, при котором электроны
«перетекают» из одних потенциальных
ям в другие, более глубокие, называют
режимом записи. Таким образом, интервал

соответствует режиму записи в электроде
1 (
).
В интервале времени
напряжение на электроде 1
U» <

,
поэтому зарядовый пакет не может
переходить под электрод 2, напряжение
которого U
_Ф2


= U’ < U».

Наступает режим хранения «записанного»
в интервале

зарядового
пакета (
).
В интервале времени
U
_Ф1


= U
»
,

a


U
_Ф2


=

, U
_Ф3


= U’.

Т
ак
как теперь U
_Ф2


>

U
_Ф1

,
то зарядовый пакет переходит в бо­лее
глубокую потенциальную яму электрода
2 (режим записи для электрода 2):

.
В интервале времени
U
_Ф1


= U
’
,

U
_Ф2

=
U
»
,
a
U
_Ф3


= U’
, так что
наступает режим хранения для электрода
2. Ана­логично в интервале

будет режим записи, а в интервале
–
ре­жим хранения для электрода 3. Таким
образом, за шесть интервалов произойдет
перенос зарядового пакета из-под
электрода 1 под электрод 3. Далее при
наличии тактовых импульсов процесс
будет повторяться и зарядовый пакет
будет последовательно переме­щаться
по «линейке» электродов (регистру).

У
стройство
ввода и вывода зарядовых пакетов – это
обязатель­ные структурные элементы
ПЗС, которые позволяют преобразовать
входной сигнал (уровни напряжения) в
сигнальные зарядовые паке­ты, а на
выходе осуществляют обратное
преобразование. Один из способов ввода
и вывода неравновесного заряда –
использование р-n ⁺
-переходов.
Рассмотрим устройство ввода электрического
сиг­нала (см. рис. 12.8). Область типа п
⁺

образует с р-подложкой n ⁺
-р-переход
(входной диод). Область n
⁺

имеет омический контакт Д
_вх

, Ф
_вх

– входной затвор. Для ввода сигнала на
Д
_вх

подается напря­жение отрицательной
полярности, включающее входной диод в
пря­мом направлении, а к Ф
_вх

прикладывается управляющее положи­тельное
напряжение сигнала. Электроны инжектируются
на n ⁺
-области
под входной затвор, а затем переносятся
под первый затвор 1 .

Величина
зарядового пакета увеличивается с
ростом амплитуды входного сигнала в
соответствии с ВАХ р-n-перехода
по экспоненциальному закону и зависит
также от продолжительности инжекции,
определяемой длительностью управляющих
импульсов. Достоинст­во этого способа
ввода сигнала – высокое быстродействие,
так как время инжекции составляет
несколько наносекунд.

Для вывода зарядового
пакета на выходе (см. рис. 12.8) имеет­ся
область п
⁺

,
омический контактных к этой области и
управляю­щий выходной затвор Ф
_вых

.
Область п
⁺

образует с подложкой вы­ходной диод,
который включают в обратном направлении.
Для это­го на выходной контакт Д
_вых



через резистор
подают постоянное по­ложительное
напряжение, превышающее максимальное
напряже­ние на Ф
_вых

.
К выходному выводу для регистрации
сигнала подключают чувствительный
усилитель на МДП-транзисторах, который
создается на той же подложке.

Параметры

ПЗС. К основным параметрам ПЗС относятся:
рабо­чая амплитуда управляющих
напряжений; максимальная величина
зарядового пакета; предельные (максимальная
и минимальная) так­товые частоты;
эффективность переноса зарядового
пакета; рассе­иваемая мощность.

Следует отметить,
что эффективность переноса снижается
из-за влияния захвата сигнальных
носителей на поверхностных состояниях
(ловушках), которые происходят за очень
малое вре­мя. Чтобы ослабить влияние
поверхности, потенциальные ямы создаются
в объеме полупроводника под поверхностью
кристал­ла на глубине около 1 мкм.
Потери уменьшаются вследствие того,
что поверхностные ловушки в этом случае
не могут захватить носители заряда. В
случае объемных каналов тактовые частоты
мо­гут достигать 100 МГц. Кроме того,
снижение потерь может быть постигнуто
уменьшением ширины электродов, так как
это приве­дет к сокращению времени
переноса заряда из одной потенциаль­ной
ямы в другую. При заданном допустимом
уменьшении зарядо­вого пакета
эффективность переноса заряда определяет
макси­мальное число элементов, через
которые может быть передан за­рядовый
пакет.

Рассеиваемая
мощность элементов ПЗС очень мала (менее
1 мкВт), что является одним из достоинств
ПЗС. В стадии хранения через прибор
текут очень малые токи термогенерации
и мощность практически не потребляется.
В режиме переноса зарядового паке­та
идет затрата энергии, необходимой для
совершения работы, равной произведению
полного заряда пакета на разность
потенци­алов между электродами
(ячейками). Наибольшая мощность
по­требляется при максимальной
частоте. Следует отметить, что пра­ктически
мощность, потребляемая ПЗС, приходится
в основном на внешнее формирование
тактирующих импульсов.

Применение
приборов с зарядовой связью.

ПЗС состоит из множества технологически
объединенных МДП-структур, располо­женных
на малом расстоянии друг от друга.
Количество МДП-стру­ктур может
достигать нескольких тысяч, и поэтому
ПЗС может рас­сматриваться как большая
интегральная схема (БИС).

Зарядовый пакет
носителей можно создавать не только с
помо­щью инжекции, как описано ранее,
но и с помощью локального осве­щения
поверхности. При этом под соответствующим
затвором образуется заряд, пропорциональный
освещенности. Если освещен­ность на
разных участках различна, то совокупность
зарядов под за­творами характеризует
изображение, спроецированное на ПЗС.
По­давая управляющее трехтактное
напряжение, получаем на выходе ПЗС
последовательность импульсов, амплитуды
которых пропорци­ональны освещенности
разных участков. Использование таких
фор­мирователей сигналов изображения
позволяет создавать миниа­тюрные
передающие полупроводниковые телевизионные
камеры с малым потреблением энергии и
достигающие обычного телевизион­ного
стандарта по разрешающей способности,
в том числе и для цветного телевидения.
Присущее ПЗС перемещение зарядовых
па­кетов позволяет избавиться от
громоздких и ненадежных передаю­щих
электронно-лучевых трубок со сканированием
электронным лу­чом. П ЗС является
уникальным аналогом электронно-лучевых
тру­бок, позволяющим одновременно с
уменьшением массы, габарит­ных
размеров, потребляемой мощности повысить
надежность и ка­чество формирования
видеосигналов. Дополнительное достоинст­во
состоит в возможности использования
разнообразных полупро­водниковых
материалов, что позволяет перекрыть
широкую область электромагнитного
спектра, включая инфракрасную область.

В настоящее время
созданы приборы более совершенные по
сравнению с ПЗС, имеющими трехтактное
питание затворов. К ним относятся ПЗС
со скрытым каналом и двухфазным
управлением, а также ПЗС на МНОП-структурах
и структурах с плавающим затво­ром.
В этих типах приборов удается упростить
технологию изготов­ления, сократить
расстояние между затворами, устранить
пересе­чение линий металлизации для
соединения затворов и т.п. Время хранения
записанной информации в этих структурах
доходит до нескольких десятков тысяч
часов.

Таким образом, ПЗС
являются весьма универсальными
структу­рами. На ПЗС разработаны
интегральные ЗУ с большой емкостью
памяти, управляемые линии задержки,
согласованные и полосовые фильтры,
позволяющие обрабатывать сигналы
длительностью в сотни миллисекунд,
твердотельные преобразователи
телевизион­ного оптического сигнала
в электрический, а также цифровые
уст­ройства на их основе. П ЗС
характеризуются конструктивной и
техно­логической простотой, малыми
размерами, высокой надежностью, высокой
чувствительностью, возможностью работы
в спектрах ви­димых, инфракрасных и
ультрафиолетовых лучей. Этим объясняет­ся
их широкое применение в телевидении,
радиолокации, системах связи. В настоящее
время сформирована также микросхемотехника
ПЗС, которая включает в себя принцип
построения схем на ПЗС для суммирования,
вычитания, умножения, аналого-цифровых
и цифро-аналоговых преобразователей
сигналов. На базе этих схем могут быть
построены устройства сложной обработки
сигналов, представленных в зарядовой
форме.

Соседние файлы в папке Шпоры по ТТЭ

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ТУСУР

Кафедра конструирования узлов и деталей РЭА КУДР

ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Руководство к лабораторной работе для студентов специальности

Конструирование и технология электронных средств

Приборы с зарядовой связью это полупроводниковые приборыимеющие большое число близко расположенных и изолированных от подложки затворов МДПструктур
под которыми может происходить перенос к стоку информационных пакетов неосновных носителей зарядаинжектированных из ис

Приборы с зарядовой связью ПЗСбыли изобретены в гамериканскими учеными ВБойлом и ДжСмитом и оказались весьма перспективнымиВ х и в х годах наблюдается интенсивная разработка и внедрение устройств на основе ПЗС в микроэлектроникуЭто было продиктованопрежде всегонеобходимостью повышения степени интеграции функциональных устройств для обработки все возрастающих потоков информации

Существующие в то время интегральные микросхемы базировались на использовании переходов и были достаточно сложны по конструкции и технологии изготовления и не удовлетворяли требованиям интеграции и надежностиПЗС жев отличие от других полупроводниковых приборовимеют малое число потенциально ненадежных элементов структуры диффузионных областей и контактов металла с полупроводникомЭто позволяет существенно повысить процент выхода годных приборов при изготовленииснизить себестоимость и повысить надежность ПЗСОдним из основных достоинств ПЗС является высокая степень интеграциипозволяющая строить на их основе большие и сверхбольшие ИСсодержащие до полумиллиона элементов на одном кристаллеПри этом устройства на ПЗС имеют существенно меньшие массогабаритные показателиа потребление энергии ПЗСустройств на порядок ниже аналогичных устройствреализованных на переходах

На основе микросхем с зарядовой связью разработаны малогабаритные радиолокационные системы и системы связи нового поколениясозданы уникальные телевизионные астрономические устройства для наблюдения космических объектов весьма слабой интенсивностиразработаны детекторные устройства для регистрации пространственныхвременных и энергетических характеристик излученийрешена задача разработки полностью полупроводниковых телевизионных камер и видеозаписывающей аппаратурыУстройства ПЗС успешно используютсяв вычислительных средствахСовершенствование конструктивных решений и технологических процессов определяют в настоящее время основные направления в разработке новых функциональных устройств на основе ПЗС

Для успешной разработки электронных устройств с использованием функциональных устройств на ПЗС необходимо знать принципы функционированияконструктивные особенности и физические свойства их

В цели данной лабораторной работы ставится изучение

физических основ функционирования приборов с зарядовой связью

принципов реализации и конструктивных особенностей
ПЗСустройств

основных свойств ПЗС и областей применения их в электронных сред

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПЗСУСТРОЙСТВ

Устройство и принцип функционирования МДПконденсатора

Конструктивно ПЗС представляет собой ряд простых структур металлдиэлектрикполупроводник МДПструктур
сформированных на общей полупроводниковой подложкеТехнология изготовления ПЗС весьма простана полупроводниковой подложке напримертипа проводимостиформируется тонкий слой (0,1 — 0,15
мкмдиэлектрикана который наносится ряд проводящих электродов преимущественно из металлав виде линейной или матричной регулярной системыС противоположной стороны подложки наносится методом металлизации омический контактВ качестве диэлектрика преимущественное применение получил окисел кремния Эта структура ПЗС получила название МОПструктуры металлокиселполупроводник
на базе которой освоено промышленное производство широкого класса интегральных микросхем ПЗСТаким образомосновным структурным элементом ПЗС является МДПструктура или МДПконденсатор
конструкция которого приведена на рисунке

металл электродД диэлектрик окиселП полупроводник

омический контакт катодОС обедненный слойИС инверсный слой

Рисунок МДПконденсатор

Если напряжение на электродах отсутствуетто области полупроводника равномерно заселены основными носителями заряда в полупроводнике типа электронами

При подаче на металлический электрод положительного напряжения

в МДПструктуре индуцируется две области зарядовОдна область зарядаобусловленная поляризацией диэлектрикарасполагается на поверхности полевого электрода МВторая область образуется в приповерхностном слое полупроводникатак как в образовавшемся электрическом поле электроны притягиваются к изоляционному слоюобразуя область приповерхностного заряда ОПЗ

Очевидночто общая емкость такого конденсатора будет определяться как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов емкости диэлектрика и полупроводника ОПЗЕмкость жеобусловленная ОПЗявляется динамической и находится в сильной зависимости от напряженности электрического поля и его направленияСледовательноемкость МДПконденсатора зависит от величины и полярности приложенного напряжения

Если к металлическому электроду М подвести отрицательное на

пряжението под действием электрического поля электронынаходящейся под электродомбудут вытеснены из этой областиВ полупроводнике образуется

динамическая неоднородность в виде областиобедненной основными носителями обедненная область ОСрисунок бЭту область можно рассматривать как потенциальную ямуглубина которой зависит от величины приложенного отрицательного напряженияНо со временем в обедненной области происходит генерирование положительных и отрицательных частиц дырок и электроновПри этом электроны вытесняются из обедненной областиа дырки наоборот концентрируются у поверхности диэлектрикаобразуя инверсный слой ИСприповерхностный слойобогащенный дырками рисунок вВ данном случае ИС представляет паразитный заряд

Рабочим режимом ПЗС является режим образования обедненной об

ластив которую вместо паразитного заряда может быть помещен пакет дырокнесущих полезную информацию информационный зарядПоэтому для ПЗС важно времяв течение которого динамическая неоднородность в виде обедненной области сохраняет свои свойства не заполняется паразитными зарядами

Структура и принцип действия сдвигового регистра на ПЗС

Принцип работы ПЗС основан на возникновениихранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямахобразующихся у поверхности или вблизи поверхностиполупроводника при приложении к

электродам внешних электрических напряжений

Как уже было отмечено вышеПЗС представляют собой совокупность простых МДПструктур
сформированных на общей полупроводниковой подложке таким образомчто полоски проводящих электродов образуют линейную или матричнуюрегулярную системуПри этом расстояния между соседними электродами столь малы несколько мкмчто существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов

Большинство функциональных устройств на ПЗС создаются на основе сдвиговых регистровУстройство и принцип функционирования устройств на ПЗС рассмотрим на примере трехтактного ПЗСрегистра
приведенного на рисунке На рисунке а представлена структура ПЗСрегистра
реализованного на кремниевой подложке типа ПНа поверхности подложки сформирован тонкий слой диэлектрика Докисла на который нанесены проводящие электроды Эв виде регулярной линейной структурыЭлектроды подключены к соответствующим управляющим устройствамСнизу подложки сплошная металлизация Комический контакт

В устройстве сдвигового регистра можно выделить три секциивходнуюпереноса и выходную

Входная секция Истоквключает в себя переход и входной затвор Звыполняющий роль ключа для управления движением дырок из диффузионной области истока в первую потенциальную яму

а структура ПЗСрегистра
б запись логической единицы в первую ячейку секции переносав перенос информационного заряда из первой ячейки во вторуюг перенос информационного заряда из второй ячейки в третью и считывание логической единицы на выходе регистрад запись логического нуля в первую ячейку секции переноса

Рисунок Структура и принцип действия трехтактного ПЗСрегистра

Секция переноса состоит из ряда затворов
управляющих потенциалом на границе кремнийдвуокись кремнияЭти затворы в трехтактной схеме соединены между собой через дваНапряжения на затворах секции переноса
имеют вид ступенчатых импульсов с различной амплитудойкоторые сменяют друг друга циклической перестановкой рисунки бд
При таком изменении напряжения на затворах потенциальные ямы перемещаются к выходу регистраувлекая за собой пакеты носителей информации дырок

Выходная секция Стокпредставляет собой обратно смещеный
переход выходной диод и выходной затвор Зна который подается

постоянное смещение Выходное устройство предназначено для экстракции извлечениядырок из подходящих к нему потенциальных ям рисунок ги преобразования пакетов дырок в соответствующие потенциалы

Рассмотрим принцип функционирования ПЗСрегистра
Пусть в ис

ходном состоянии в ячейке секции переноса имеется информационный заряд

логическая единица а в истоке инжектированы дырки

К началу следующего такта напряжение на входном затворе снимаетсяПоэтому проводящий канал под входным затвором исчезаетТаким образомпроизошла запись информациинапримерлогической единицы так как под первым затвором секции переноса остался пакет дырок

После смены напряжений на затворах секции переноса самое большое отрицательное напряжение будет на затворах и поэтому пакеты дырок передвинутся в потенциальные ямы под вторым и пятым затворами секции переноса рисунок вПри следующих тактах изменения напряжения на затворах секции переноса будет происходить дальнейшее продвижение пакетов дырок к выходной секции рисунки гд

Если в потенциальных ямахподходящих к переходу стоканет носителей заряда дырокто не будет и изменения тока в цепи стокаИ только в том случаекогда потенциальная ямасодержащая дыркиподойдет к
переходу стокадырки втянутся в него и в цепи стока пройдет импульс тока или изменится напряжение на стоке рисунок г

Рассмотрим подробнее устройства ввода и вывода аналоговой информации и конструктивные особенности ПЗСрегистра

Устройство ввода информационного заряда

Устройства ввода и вывода являются обязательными элементами ПЗСустройствОни служат для вводасчитывания и регенерации информации и в значительной степени определяют характеристики устройств на ПЗС

Ввод информационного заряда в ПЗС может осуществляться двумя способамиинжекцией неосновных носителей заряда и генерацией неосновных носи

телей в ПЗСячейках под воздействием электромагнитного облученияВторой способ используется только в фоточувствительных ПЗС и в данной работе не рассматриваетсяДля ввода цифровой и аналоговой информации в ПЗСустройства наиболее широкое применение получил инжекционный способ с использованием прямого смещения
переходаосновным достоинством которого является высокое быстродействие единицы наносекунд

где площадь затвораудельная емкость диэлектрика

Для ввода аналоговых сигналов широкое распространение получилтак называемыйспособ инжекцииэкстракции или способ уравнивания потенциа

ловНа рисунке приведена одна из схем реализации данного способа

Рисунок Устройство и принцип функционирования секции ввода

Устройство ввода рисунок асостоит из входного диода Ди двух входных затворов и На рисунке приведена также пара электродов и из секции переноса регистра сдвигаНа рисунках аг приведены эпюры распределения потенциалов напряжения под управляющими электродами в различные интервалы времениа на рисунке д представлены временные диаграммы напряженийприкладываемых к управляющим электродам

После окончания импульса избыточный заряд стекает обратно в область
а под затвором остается информационный заряд рисунок

С целью повышения точности ввода информации напряжение должно быть стабильным

Данный способ ввода информации рационально использовать при обработке аналоговой информациикогда величина информационного заряда должна быть пропорциональна входному напряжению º При этом входное устройство одновременно осуществляет дискретизацию аналогового входного сигналаПолоса частот входного сигнала Dсогласно теореме Котельниковадолжна быть не более половины тактовой частоты управляющих сигналов ре

Устройство вывода информации

Принцип работы устройств вывода основан на преобразовании величины информационного заряда в изменение выходного напряжения или токаСуществуют различные способы и схемы реализации выходных устройствно наиболее широкое практическое применение получили устройства вывода инфор

мации с плавающей диффузионной областью ПДО

ПДО это емкостьзараженная и отключенная затем от источника питаниято есть находящаяся под плавающимпотенциаломВ качестве ПДО может быть использована МОПемкость с плавающим затворомили емкость

обратно смещенного перехода
Создается ПДО в приповерхностной области подложки рядом с последним электродом сдвигового регистра с помощью диффузии или ионного легированияРазмеры области примерно равны размерам элемента регистра и имеет проводимостьпротивоположную подложке

Известны различные схемы реализации выходных устройств с ПДООдна из них представлена на рисунке аУстройство включает в себятранзистор

Рисунок Устройство вывода информации

сброса МОПтранзистор
истоком и стоком которого являются диффузионные области и ПДОсоответственнои истоковый повторитель на МОПтранзисторе исток которого соединен с ПДОа в качестве нагрузки ис

Прибором
с зарядовой связью называют полупроводниковый
прибор, в котором происходит накопление
неосновных носителей под электродами
МОП-структур и перемещение этих носителей
от одного электрода к другому

Электрический
сигнал в приборах с зарядовой связью
(ПЗС) представлен не напряжением или
током, как в обычных аналоговых или
цифровых схемах, а зарядом неосновных
носителей – зарядовым пакетом.

Идею создания
запоминающих устройств высказал в 1934
году В. К. Зворыкин, а американские
ученые Н. Бойл и Г. Смит изготовили
ПЗС в 1969 году.

Для
ПЗС характерны два режима работы:
хранения и передачи информационного
заряда. Информационный заряд может
храниться в одном или нескольких
конденсаторах не очень длительное
время. При длительном времени хранения
информационного заряда вследствие
процессов термогенерации происходит
накопление паразитного заряда дырок в
инверсном слое и к заполнению потенциальных
ям.

При
работе ПЗС в аналоговых устройствах
паразитный заряд изменяет величину
полезного информационного сигнала, что
вызывает искажение хранимой аналоговой
информации. Для современных ПЗС
максимальное время хранения заряда
лежит в пределах от сотен миллисекунд
до десятков секунд.

На
рис. 8.15,а изображен так называемый
трехтактный симметричный ПЗС, имеющий
входную цепь, цепь переноса и выходную
цепь. Входная цепь состоит из истока с
p ⁺
–областью
под ним и входного затвора, который
управляет движением дырок из p ⁺
–области
истока в первую потенциальную яму. Таким
образом ввод зарядового пакета
осуществляется инжекцией дырок через
входной p ⁺
–n переход,
когда напряжение, подаваемое на затвор,
больше U _пор

и достаточное для образования проводящего
канала под входным затвором.

Если
к электроду 1 при наличии проводящего
канала под входным затвором приложить
отрицательное напряжение, превышающее
по абсолютному значению пороговое, то
у поверхности полупроводника образуется
обедненная область. Образовавшаяся
область является потенциальной ямой
для неосновных носителей заряда, и под
действием напряжения, приложенного к
электроду 1, осуществляется инжекция
дырок в потенциальную яму, где они и
хранятся (рис. 8.15,б). Для передачи
зарядового пакета к соседнему электроду
прикладывается более отрицательное
напряжение (по сравнению с напряжением
хранения) – напряжение записи, при
этом напряжение на входном затворе
снимается (проводящий канал исчезает).
Напряжение записи создает более глубокую
потенциальную яму под этим электродом
и образует продольное электрическое
поле в области разделяющей электроды.
После переноса зарядового пакета в
потенциальную яму потенциал электрода
снизится (по абсолютному значению) до
напряжения хранения. При следующих
тактах изменения напряжения на электродах
в цепи переноса будет происходить
дальнейшее продвижение зарядового
пакета к выходной цепи (рис. 8.15,г,д).
Если в потенциальной яме, подходящей к
p–n переходу стока, отсутствует
информационный зарядовый пакет, то и
не будет изменения тока в цепи стока.
Использование во выходной цепи
МОП-транзистора позволяет осуществить
неразрушающее считывание зарядового
пакета.

Когда
информационный зарядовый пакет
переместится в потенциальную яму на
границе к p–n переходу стока, дырки
втягиваются в область стока. Это вызывает
появление импульса тока или изменение
напряжения на стоке (рис. 8.15,г).

Быстродействие
ПЗС определяется режимом передачи
зарядового информационного пакета от
одного электрода к другому, осуществляемой
в основном за счет дрейфа и диффузии в
конце переноса неосновных носителей,
которая совершается значительно
медленнее. Практически быстродействие
ПЗС характеризуется предельной частотой
1 ГГц.

Квантовая
и оптическая электроника. Лекция
N4

Фотоприборы с зарядовой связью

Прибор
с зарядовой связью

(ПЗС) — это интегральная схема,
представляющая собой совокупность МОП
(металл-оксид-полупроводник) или МДП
(металл-диэлектрик-полупроводник)
структур, сформированных на общей
полупроводниковой подложке таким
образом, что полоски электродов образуют
линейную или матричную регулярную
структуру. Частный случай применения
приборов с зарядовой связью – использование
в качестве ФотоПЗС.