1.5.5 Приборы с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) имеет МДП-структуру. Впервые был построен в 1969г.

П ринцип действия основан на переносе зарядов (зарядовых пакетов), т.е. на генерации и накоплении неосновных носителей в потенциальных ямах и продвижение этих носителей вдоль границы полупроводник – диэлектрик вместе с потенциальной ямой.

Схема устройства простейшего ПЗС показана на рисунке 1.22,а. Прибор содержит сформированные на подложке из кремния с проводимостью n-типа шесть МДП-структур, а также устройства ввода и вывода зарядовых пакетов.

Основную часть прибора составляют две ячейки, каждая из которых образована тремя МДП-структурами. Электроды ячеек (каждый третий) соединены линиями металлизации (шинами) так, что образуют трехфазную э лектродную систему (фазы А, B и С).Устройство ввода зарядовых пакетов состоит из истоковой области с проводимостью р⁺-типа, образующей с подложкой р-п-переход. Устройство вывода зарядовых пакетов включает в себя р-п-переход, расположенный в стоковой области прибора.

Работа прибора основана на создании потенциального рельефа у поверхности подложки, введении в образовавшиеся под затворами потенциальные ямы зарядовых пакетов и направленном перемещении зарядовых пакетов вдоль поверхности подложки путем последовательного перемещения потенциальных ям. Зарядовая связь МДП-структур обеспечивается общностью полупроводниковой подложки и сравнительно малыми расстояниями между структурами (единицы микрометров). В процессе работы к затворам подводятся импульсы отрицательного управляющего напряжения, при котором основные носители заряда (электроны), дрейфуя в глубь подложки, образуют в приповерхностном слое под затворами обедненные области. Степень обеднения определяется при прочих одинаковых условиях напряжением импульса и его длительностью.

Наиболее обедненными оказываются области под затворами, к которым приложено напряжение, по абсолютной величине больше порогового напряжения U_{зи пор}. При подаче U_{зи пор} = 2…4 В индуцируется равномерный обеднённый слой под диэлектриком.

При напряжении хранения U_ХР=10…15 В образуется более глубокий обеднённый слой под затвором – потенциальная яма, туда стекаются неосновные носители от истока.

Состояние такого обеднения областей под затворами сохраняется в течение так называемого времени релаксации — времени, которое необходимо для перехода приповерхностного слоя под затворами из состояния обеднения в состояние инверсии.

Для работы рассматриваемого трехфазного ПЗС на затворы ячеек подаются в определенной последовательности импульсы управляющего напряжения трех фаз А, В и С, сдвинутые во времени друг относительно друга на одну треть периода следования импульсов.

На рисунке 1.22,б показаны диаграммы распределения потенциалов в приповерхностном слое ПЗС, а на рисунке 1.22,в — временные диаграммы входного U_вх, выходного U_вых и тактовых управляющих напряжений U_A, U_B и U_C, поясняющие принцип работы прибора. Уровень порогового напряжения U_{зи пор} обозначен горизонтальной штриховой линией.

Ввод зарядового пакета дырок в потенциальную яму под первым затвором (запись информации) осуществляется при подаче импульса положительного напряжения U_вx к истоку в момент времени t₀, когда фаза А (а следовательно, и первый затвор) находится под напряжением |U_max| > |U_{зи пор}|. Дырки, инжектированные входным переходом, поступают в потенциальную яму под первым затвором главным образом под действием электрического поля и накапливаются в ней в течение действия импульса входного напряжения. При этом фаза В (и второй затвор) находится под напряжением |U_min| < \U_{зи пор}|, что локализует дырки в потенциальной яме под первым затвором.

По окончании такта записи наступает такт хранения зарядового пакета (момент времени t₁, когда фаза А находится под напряжением U_max, а фазы В и С — под напряжением U_min.

На следующем такте — такте переноса зарядового пакета — происходит смена напряжений затворов – режим передачи заряда от одного затвора к следующему вдоль цепочки. К З₂ прикладывается более низкое U_перен=20-25В. Под З₂ образуется более глубокая потенциальная яма. Заряд перетекает туда.

Т.е. напряжение фазы А начинает уменшаться по абсолютной величине, а напряжение фазы В принимает значение U_max, что приводит к образованию потенциальной ямы под вторым затвором (момент времени t₂) и переносу в нее зарядового пакета из-под первого затвора. При этом напряжение фазы С равно U_min, что локализует пакет дырок под вторым затвором.

По окончании такта переноса напряжение фазы А достигает значения U_min и наступает режим хранения (момент времени t₃).

При последующем изменении напряжения фаз зарядовый пакет перемещается дальше к выходному устройству.

Вывод зарядового пакета (считывание информации) осуществляется смещением р-п-перехода в стоковой области в обратном направлении. Пакет дырок, перенесенный под выходной затвор, экстрагируется полем перехода, и в стоковой области появляется импульс тока или изменяется напряжение стока U_вых (момент времени t₄). Для считывания информации могут быть использованы также изменения емкости и потенциала затвора выходной МДП-структуры при поступлении под затвор зарядового пакета.

Таким образом, ПЗС — это прибор, который хранит и передает введенную в него информацию в виде зарядовых пакетов. При этом в каждой ячейке прибора может находиться только один зарядовый пакет.

ПЗС относятся к приборам динамического типа. Нестационарность режима МДП-структур связана с конечным временем хранения зарядовых пакетов в потенциальных ямах и конечным временем переноса пакетов вдоль поверхности подложки. Поэтому к числу основных параметров ПЗС относятся минимальная и максимальная тактовые частоты управляющих импульсов и коэффициент потерь.

Минимальная тактовая частота ПЗС f_min определяется максимально допустимым временем хранения зарядового пакета в МДП-структуре, которое ограничивается временем релаксации и определяется из условия максимально допустимого накопленного заряда в потенциальной яме. Обычно время хранения зарядового пакета составляет порядка 0,01...3 с, а минимальная тактовая частота — около 0,1... 5 кГц.

Максимальная тактовая частота ПЗС f_max определяется длительностью процесса переноса зарядовых пакетов из одной потенциальной ямы в другую и достигает в зависимости от типа ПЗС десятков и сотен мегагерц. При работе с максимальной тактовой частотой зарядовые пакеты, по существу, не хранятся в ячейках ПЗС, а непрерывно передаются от ячейки к ячейке.

Коэффициент потерь характеризует эффективность переноса зарядов из одной потенциальной ямы в другую. Он определяется как отношение потерь заряда при переносе Q к переносимому заряду Q, т. е. = Q/Q. Если коэффициент потерь для двух смежных МДП-структур составляет , то для всего ПЗС он будет равен N , где N— число МДП-структур.

ПЗС используется: для задержки сигналов, длительного хранения, формирования сигналов изображения и устройствах аналоговой обработки сигналов. При формировании изображения зарядовый пакет получается не из истока, а путём локального освещения поверхности кристалла. Если на кристалл спроецировать изображение объекта, то амплитуды выходных импульсов со стока будут пропорциональны освещённости поверхности участков кристалла. На их основе можно создавать миниатюрные передающие телевизионные камеры с малым потреблением напряжения питания Е_ПИТ.

Сейчас созданы ПЗС, способные хранить информацию в течение нескольких десятков тысяч часов при отключении питания.