12.4 Приборы с зарядовой связью, принцип действия, режимы работы, область применения, достоинства и недостатки

С развитием функциональной электроники были созданы приборы с зарядовой связью и появилась возможность создавать дискретные фильтры более компактные, дешевые и надежные, чем применявшиеся ранее аналоговые. Это позволило поставить в принципе поновому вопрос о создании и применении дискретных фильтров, т. е. получить на основе устройств функциональной электроники не только фильтры для сложных сигналов, но и широкую номенклатуру других фильтров. Это объясняется тем, что дискретные фильтры по сути остаются линейными, «а дискретный характер накопления в них позволяет устранить многие трудности и ограничения, свойственные аналоговым фильтрамнеобходимо остановиться на физике функционирования МДП-конденсаторов, лежащих в основе работы ПЗС.

Функционирование МДП-конденсаторов. МДП-конденсатор, состоит из полупроводника, например кремний n-типа, т.е. с преобладанием носителей-электронов (n-тип носителей тока, Si-материал); оксидного слоя диэлектрика в виде двуокиси кремния - SiO2 напыленного металлического электрода и проводников, присоединенных к подложке и металлическому электроду, к которым может быть приложено напряжение

Е сли напряжение не приложено, то области полупроводника равномерно заселены электронами. При подаче на металлический электрод положительного напряжения электроны притягиваются к изоляционному слою, образуя на обкладках конденсатора., заряд. Емкость этого конденсатора будет определяться диэлектриком SiO2.

Движение динамической неоднородности (зарядов). Из термина ПЗС следует, что в приборах этого типа имеется связь через заряды.. Таким образом, в ПЗС должно осуществляться передвижение динамической неоднородности, т. е. перенос заряда. Для реализации переноса заряда нужно расположить рядом друг с другом большое количество МДП-конденсаторов (рис). Рассмотрим случай, когда на первый конденсатор под номером 1.1 подано отрицательное напряжение U1.1, превышающее Uпор, при котором начинает формироваться обедненная область. Предположим, что конденсаторы идеальны, инверсный слой не образуется. Эта обедненная область, образовавшаяся на конденсаторе 1.1, не содержит зарядов и никакой пользы для реализации линии задержки и фильтра принести не может. Предположим, что каким-то образом в эту область будет введен заряд (дырки), пропорциональный мгновенному значению фильтруемого или задерживаемого напряжения. Эти дырки, находясь в обеднённой области, будут сохраняться какое-то время. Назовем такое состояние циклом I. Положим, что на соседний конденсатор (электрод). 1.1 подано напряжение большее, чем Uпор, при этом образуется обедненная область, а с электрода 1.1 напряжение снимается. Если эти конденсаторы расположены близко друг к другу, то напряжение на электроде 2.1 притянет к себе дырки, находившиеся ранее в обедненной области под электродом 1.1 (цикл II на рис). Очевидно, что на изменение положения динамической неоднородности, т. е. на передвижение дырок, понадобится время "тем большее, чем больше удалены друг от друга МДП-конденсаторы. В идеальном случае после снятия напряжения на электроде 1.1 все дырки без потерь перейдут под электрод 2.1. Реально наблюдаются небольшие потери заряда.

Если теперь напряжение, превышающее пороговое, подать на электрод 3.1 и одновременно снять напряжение с электрода 2.1, то дырки, находившиеся ранее под электродом 2.1, не смогут вернуться под электрод 1.1, так как напряжение на нем равно нулю, и вынуждены будут, испытывая притяжение от напряжения, приложенного к электроду 3.1, перейти в обедненную область, сформированную под этим электродом (цикл III на рис). При этом предполагается, что на электроде 7.2 напряжение отсутствует и, следовательно, дальнейшее их продвижение невозможно. Таким образом, мы проследили три шага, которые проходят дырки в идеальном случае, без потерь.

После того, как введены новые дырки под электрод 1.1 и протекание первых дырок. произошло, можно переходить к следующему такту, когда напряжение, превышающее пороговое значение, подается на электроды 2.1 и 2.2 а с электродов 1.1 и 1.2 снимается. Тогда произойдет перетеканиё дырок под электроды 2.1 и 2.2. Далее эти циклы могут продолжаться.

Недостатки фильтров на ПЗС. Основным недостатком устройств фильтрации на ПЗС является ограничение следующих параметров: числа последовательных элементов задержки вследствие неполного переноса заряда; максимального времени задержки, т. е. минимальной частоты, связанной с тепловым генерированием свободных носителей заряда; максимальной тактовой частоты из-за конечного времени переноса заряда между электродами; точности реализации частотной характеристики фильтра за счет технологических погрешностей.