Фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью
CCD, charge-coupled devices
ПЗС-структуры - это интегральные полупроводниковые приборы, в основе работы которых лежит принцип создания, передачи и хранения локализованного зарядового пакета в потенциальных ямах, образуемых в полупроводнике под действием внешнего электрического поля.
Приборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой линейки или матрицы близко расположенных друг к другу МОП-конденсаторов. Соответствующие последовательности тактовых импульсов на затворах такой матрицы смещают ее отдельные МОП-конденсаторы в режим глубокого обеднения, так что зарядовые пакеты могут храниться под электродами матрицы и контролируемым образом перемещаться вдоль поверхности кристалла, перетекая из-под одних электродов матрицы к соседним электродам. Ввод и вывод информационного сигнала, то есть динамической неоднородности в ПЗС осуществляется статической неоднородностью с транзисторной структурой, в которой формируется зарядовый пакет. Широкое практическое применение получили фоточувствительные ПЗС-приборы (ФПЗС). Существует также фоточувствительный прибор с зарядовой инжекцией (ФПЗИ), в котором перемещение зарядового пакета происходит внутри фоточувствительного элемента с последующей инжекцией в подложку или в область стока заряда. Такие структуры имеют следующие достоинства: практическое отсутствие потерь передачи; возможность использования в качестве фоточувствительных элементов фотодиодов, имеющих большую по сравнению с МДП-структурами чувствительность; возможность организации произвольной выборки любого элемента или группы элементов. Цифровые ПЗС предназначены для обработки сигналов в виде дискретных функций, и их можно разделить на структуры для арифметико-логической обработки информации и структуры для хранения информации - запоминающие устройства. В цифровые ПЗС можно включить регистры сдвига, логические и арифметические устройства, запоминающие устройства. В них информация представляется двумя уровнями зарядов, локализованных в потенциальной яме под затвором. Следует заметить, что цифровые устройства ПЗС являются устройствами динамического типа, так как необходима регенерация информации.ПЗС (приборы с зарядовой связью) - в английской аббревиатуре - CCD, charge-coupled devices Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители фотодиодов, матриц фотодиодов. 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.
Физические принципы работы пзс-матрицы
Прибор с зарядовой связью - матрица близко расположенных МДП-конденсаторов. Электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора.
Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. На один из электродов подано положительное напряжение - именно под ним происходит накопление заряда. Если 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 оттесняются вглубь кристалла - под электродом формируется потенциальная яма.
В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта
Воздействие света приводит к появлению электронно-дырочных пар и накоплению неосновных носителей (электронов) в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления.
Фотогенерацию вызывают только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны - около 1,2 эВ (что соответствует длине волны чуть больше 1,05 мкм). При уменьшении длины волны коэффициент поглощения постепенно растёт: при = 1 мкм свет затухает в е раз на 100 мкм, при = 0,7 мкм (красный цвет) - на 5 мкм, а при = 0,5 мкм (зелено-голубой) - на 1 мкм.
Глубина обеднённого слоя (глубина, на которую распространяется электрическое поле затвора вглубь полупроводника) - около 5 мкм. Для света, который целиком поглощается внутри этого слоя (при длине волны менее примерно 0,6 мкм), внутренний квантовый выход почти 100%, так как происходит мгновенное разделение электронно-дырочных пар электрическим полем.
Электростатическое поле в области вытесняет дырку вглубь кремния. Электроны накапливаются 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 рекомбинируют прежде, чем попадут под действие поля обедненной области.
Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если потенциал соседнего электрода увеличить, а потенциал первого электрода уменьшить.
Cвойство самосканирования ПЗС – для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовых шин.
Для передачи зарядовых пакетов требуются лишь три электрода: передающий, принимающий и изолирующий. Одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода. Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС.