Зміст

1 Загальні відомості про прилад із зарядним зв'язком (ПЗС)

2 Фізичні основи роботи і конструкції приладів із зарядним зв'язком

3 Прилади з зарядовим зв'язком в оптоелектроніці

4 Фотоприймальні характеристики ПЗС

5 Рядкові (лінійні) ФСИ на ПЗС

6 Матричні (площинні) ФСИ

7 Перспективи розвитку ФСИ на ПЗС

1. Загальні відомості про прилад із зарядним зв'язком (пзс).

Прилад із зарядним зв'язком (ПЗС) являє собою ряд простих МДП-структур (метал - діелектрик - напівпровідник), сформовані на загальній напівпровідниковій підкладці таким чином, що смужки металевих електродів утворюють лінійну або матричну регулярну систему, в якій відстані між сусідніми електродами досить малі (рис.1). Ця обставина обумовлює той факт, що в роботі пристрою визначальним є взаємовплив сусідніх МДП-структур [1-3].

Рис.1. Структура ПЗС

Принцип дії ПЗЗ полягає в наступному. Якщо до будь-якого металевого електрода ПЗС докласти негативну напругу, то під дією електричного поля виникають електрони , що є основними носіями в підкладці , йдуть від поверхні в глибину напівпровідника . У поверхні утворюється збіднена область , яка на енергетичній діаграмі являє собою потенційну яму для неосновних носіїв - дірок . Потрапляють певним чином в цю область дірки, притягуються до межі розділу діелектрик - напівпровідник і локалізуються у вузькому приповерхневому шарі.

Якщо тепер до сусіднього електроду докласти негативну напругу більшої амплітуди , то утворюється більш глибока потенційна яма і дірки переходять в неї. Прикладаючи до різних електродів ПЗС необхідні керуючі напруги , можна забезпечити як зберігання зарядів в тих чи інших приповерхневих областях , так спрямоване переміщення зарядів уздовж поверхні ( від структури до структури ) . Введення зарядового пакета

( запис) може здійснюватися або pn - переходом , розташованим , наприклад, поблизу крайнього ПЗС елементу ( електрод 1 на рис.1 ), або світлогенерацією . Висновок заряду з системи ( зчитування ) найпростіше також здійснити за допомогою pn - переходу ( електрод п на рис.1.) . Таким чином , ПЗС являє собою пристрій , в якому зовнішня інформація ( електричні або світлові сигнали ) перетворюються на зарджені пакети рухливих носіїв , певним чином розміщуються в приповерхневих областях , а обробка інформації здійснюється керованим переміщенням цих пакетів уздовж поверхні . Очевидно , що на основі ПЗС можна будувати цифрові й аналогові системи . Для цифрових систем важливий лише факт наявності або відсутності заряду дірок в тому чи іншому елементі ПЗС , при аналоговій обробці мають справу з великими переміщеннями зарядів.

Природно , що заряд , введений в МДП - структуру , не може зберігатися в ній необмежено довго. Процес термогенерації електронно - доручених пар в обсязі напівпровідника і на межі розділу діелектрик - напівпровідник веде до накопичення в потенційних ямах паразитних зарядів , отже до спотворення зарядом інформації , а з плином часу і до повного її «стирання ». Цей час може досягати сотень мілісекунд і навіть десятків секунд , але , тим не менше, воно звичайно і визначає існування нижньої граничної частоти . Таким чином , робота приладу заснована на нестаціонарному стані МДП - структури, і ПЗС є елементами динамічного типу .

Пристрій і фізика роботи ПЗС визначають цілий ряд дуже цікавих і корисних ( а нерідко і унікальних ) особливостей цих приладів.

До числа найважливіших функціональних особливостей ПЗС відносяться можливість зберігання , зарядової інформації; можливість направленої передачі зарядів уздовж поверхні напівпровідникового кристалу, можливість перетворення світлового потоку в електричний заряд і подальшого його зчитування ( сканування ) . Перевагою ПЗС є мала споживана потужність ( 5-10 мкВт / біт в режимі передачі інформації і практично повна відсутність витрат енергії в режимі зберігання) , що обумовлено МДП - структурою цих пристроїв. Простота конфігурації і регулярність системи елементів в ПЗС веде до того , що швидкодія цих приладів може бути дуже високою ( у спеціально сконструйованих зразків граничні тактові частоти лежать в гігагерцевому діапазоні ) .

Мабуть, ще більш важливими є конструктивно - технологічні гідності ПЗС , основними з яких є технологічна ясність і простота (мале число фотолитографічнихх , Термодифузійний і епітаксійних процесів при виготовленні приладу ) - обов'язкова умова при створенні якісних багатоелементних (з числом елементів 104-106 ) пристроїв; високий ступінь інтеграції ( що перевищує 105 елементів на одному кристалі ) і висока щільність упаковки (більше 105 біт/см2 ) ; мала кількість зовнішніх висновків , що є визначальним при побудові високонадійних систем; відсутність pn - переходів ( нечисленні pn - переходи ПЗС виконують « підсобні » функції і до них пред'являються досить « слабкі » вимоги ) , що, зокрема , відкриває широкі можливості для використання поряд з кремнієм та інших напівпровідникових матеріалів (наприклад , арсеніду галію ) .

Всі ці властивості відкривають широкі перспективи для різноманітних застосувань ПЗС .

Для цифрової техніки цікаві зсувні регістри , оперативні пристрої, що запам'ятовують , логічні схеми . Лінії затримки аналогових сигналів на ПЗС за технічними характеристиками значно переверщують свої акустичні та магнітні аналоги .

У оптоелектронній техніці перетворення зображень ПЗЗ відкривають принципово нові можливості для створення безвакумних напівпровідникових формувачів відеосигналів. Притаманне їм самосканування дозволяє позбутися від громіздких і ненадійних високовольтних вакуумних трубок зі скануванням електронним променем. ПЗС є унікальними аналогами ЕПТ , що дозволяють одночасно зі зменшенням маси , габаритних розмірів , споживаної потужності підвищити надійність і якість формування відеосигналів. Додаткова перевага фотоприймачів на основі ПЗЗ полягає у принциповій можливості використовувати різноманітні напівпровідникові матеріали , що дозволить перекрити широку область електромагнітного спектру ( включаючи і ІК область).

Створення передавальних телевізійних камер на основі ПЗЗ приведе в майбутньому не тільки до обладнання техніки надійним « електронним оком » (відзначимо , що в проекті створення засобів штучного зору для людини орієнтація робиться також на ПЗС ) , але і до дійсно широкого використання засобів телебачення в побуті.

Якщо на багатоелементний або матричний ПЗС направити світловий потік , що несе зображення , то в обсязі напівпровідника почнеться фотогенерація електронно -доручених пар. Потрапляючи в збіднену область ПЗС , носії поділяються і в потенційних ямах накопичуються дірки (причому величина накопичуючого заряду пропорційна локальної освітленості) . Після закінчення деякого часу (порядку декількох мілісекунд) , достатнього для сприйняття зображення , в матриці ПЗС буде зберігатися картина зарядових пакетів , відповідна розподілу освітленості . При включенні тактових імпульсів зарядові пакети будуть переміщатися до вихідного пристрою зчитування , перетворює їх в електричні сигнали. У результаті на виході вийде послідовність імпульсів з різною амплітудою який дає відеосигнал.

На цій основі створюються пристрої для фототелеграфу , а також камери (аж до камер повноформатного кольорового телебачення ) . У майбутньому ПЗС знайдуть застосування в якості зручних матричних фотоприймачів в надпродуктивних оптоелектронних обчислювальних машинах з паралельною обробкою інформації .

Поява ПЗС (1969 р.) стала результатом досліджень в галузі фізики і технології МДП - приладів. Розробка цього нового напрямку напівпровідникової техніки займається багато наукових колективів в різних країнах світу і вже досягнуто дуже помітні результати.

Створені швидкодіючі однокристальні ЗУ на ПЗС ємністю 8192 , 16384 та 65536 біт з часом вибірки 64-200 мкс і швидкістю видачі інформації 1-5 МГц; на базі кристалів ємністю 16 К ( кілобіт ) сконструйовано ЗУ ємністю 1 Мбіт з блочною вибіркою по 256 біт. Розроблено широкосмугова лінія затримки аналогових сигналів ємністю 128 розрядів , призначена для використання в системах кольорового телебачення ; випробуваний коррелятор на ПЗС , що дозволяє одночасно обробляти 40 тисяч дискретних значень сигналу із загальною похибкою менше 1%.

Є численні повідомлення про початок промислового випуску рядом фірм США ( в першу чергу Bell і RCA) передавальних телекамер з числом елементів розкладання 200X200 і 500x500 .

У той же час не можна не помітити , що на шляху широкого використання ПЗС стоїть ще багато невирішених проблем - і в першу чергу технологічна : проколи діелектричної плівки і закорочення електродних шин все ще не дозволяють впевнено з високим відсотком виходу отримувати бездефектні ПЗС досить великої інформаційної ємності. Найважливішою технологічною проблемою створення великих ПЗС з одношарової металізацією є проблема отримання вузьких (2-3 мкм) зазорів між електродами ; основний технологічний брак в таких структурах - це закорочення . У структурах з багатошаровими кремнієвими затворами важко отримати високоякісний ізолюючий діелектрик між усіма рівнями полікремнію .

На закінчення хотілося б відзначити , що створення пристроїв на приладах із зарядним зв'язком , особливо оптоелектронних , є важливим етапом у розвитку великих інтегральних схем і одним з перших реальних кроків по шляху до функціональної мікроелектроніці

.