2 Фізичні основи роботи і конструкції приладів із зарядним зв'язком
Динаміку переміщення зарядових пакетів в ПЗС простежимо на прикладі триразового зсувного регістру (рис.2).
У цій схемі кожен третій електрод підключається до відповідної шини тактових імпульсів. У початковому стані (рис.2, а) під напругою зберігання.
Рис.2. Схема тритактового зсувного регістру на ПЗС:
а - зберігання інформації в елементах 1. 4. 7, б - передача інформації; в - зберігання інформації в елементах 2. 5, 8.
Uхр . = - U2 знаходяться електроди 1 , 4 , 7 , а всі інші - під напругою - U1 (U1 < U2 ) ; підкладка заземлена. Напруга U1 вибирається трішки більшою пороговою напругою U0 (величина U0 для МДП - структури визначається як мінімальна напруга на затворі , при якому настає інверсія поверхні напівпровідника ) для того , щоб вся поверхня напівпровідника була збіднена і на поверхневих станах відсутні електрони. Припустимо , що в потенційних ямах 1 , 7 є зарядові пакети , а в 4 їх немає. На наступному такті до електродів 2 , 5 , 8 прикладається напруга запису Uзап . = - U3 ( U3 > U2 ) і заряди перетікають від ПЗС1 (строго кажучи , в даному випадку слід використовувати термін « ПЗС- елемент » або « МДП -структура » , так як мова йде про один елемент приладу з зарядовим зв'язком. Однак для скорочення тут і надалі (якщо з контексту ясно , що мова йде про елемент ) використовується термін « ПЗС » , а слово « елемент» опускається. ) до ПЗС2 і від ПЗС7 до ПЗС8 (рис.2 , б).
Рис. 3. Зонна діаграма для ПЗС-елемента в режимі зберігання інформації: а - в перший момент після включення; б - в стаціонарному стані; 1 - метал; 2 - діелектрик; 3 - збіднена область; 4 - нейтральна область напівпровідника.
На наступному такті на електродах встановлюються напруги відповідно до рис.2 , в і починається фаза зберігання зарядової інформації в елементах 2 , 5 , 8 .
Таким чином , для ПЗС характерні два режими роботи: збереження і передача зарядових пакетів. У режимі зберігання ПЗС еквівалентний МДП - ємності. Зонна діаграми поверхні напівпровідника для режиму зберігання наведена на рис.3 , а . Величина поверхневого потенціалу , що характеризує вигинання зон і глибину потенційної ями , в початковий момент максимальна. При інжекції пакета дірок їх позитивний заряд екранує підкладку від поля , в результаті чого відбувається перерозподіл зовнішньої напруги : збільшується частина напруги, що падає на шарі діелектрика , поверхневий потенціал зменшується ( за абсолютною величиною ) , і збіднена область звужується. З плином часу потенційна яма заповнюється до насичення термогенеруючих дирках і у поверхні утворюється стаціонарний інверсний шар ( рис.3 , б). Величина поверхневого потенціалу зменшується ( за абсолютною величиною ) до потенціалу інверсії поверхні напівпровідника φ0
У нестаціонарному стані поверхневий потенціал φ залежить від напруги на затворі U3 , щільності ( на одиницю поверхні) заряду дірок Qp і від електрофізичних характеристик діелектричної плівки і підкладки :
(1)
де U'3 = U3 - UП3 = U3 - Uo - φ0 + UВ - напруга плоских зон; - коефіцієнт підкладки ; UB = BOC ; Сд = εдε0хд - питома ємність діелектрика затвора товщиною хд . В ( 1 ) і наступних виразах використовуються абсолютні значення потенціалів і зарядів , що робить їх застосовними для р- та n - канальних ПЗС .
Залежності φ ( QP ) для різних значень напруг затвора наведені на рис.4.
При збільшенні заряду дірок Qp від нуля до стаціонарного значення поверхневий потенціал зменшується за абсолютною величиною до потенціалу інверсії φ0 . З графіків рис.4 видно , що залежності φ ( QP ) практично лінійні. Апроксимувальний вираз для φ має вигляд:
φ=(U'3-QP/Cд)(1+x), (2)
де х = 0,1-0,2 - лінійний коефіцієнт підкладки.
Максимальний заряд QPM, який може бути поміщений в потенційну яму при заданій напрузі U3, визначається з (1) за умови насичення потенційної ями, тобто при φ = φ0,
Рис.4. Залежність поверхневого потенціалу від величини локалізованого в потенційній ямі заряду при різних напруженнях затвору:
Nд=5-1014 см-3, Uo=3.8 В.
Рис.5. Залежність QPΣ = QP + QP пар від часу зберігання для різних значень інформаційного заряду QP. Штриховою лінією показані складові заряди, накопичені за рахунок генерації в збідненої області (1) і на поверхні (2); Qp = 0 (3); Qp / Сд = 3В (4).
QPM = Сд (U3, — U0) (3)
Зазвичай QPM = (1-5) 10-3 пКл/мкм2 .
Наочним поданням потенційної ями ПЗС може служити прямокутна посудина з рідиною. Максимальна глибина потенційної ями відповідає висоті порожньої посудини ; але міру заповнення посудини рідиною його ефективна глибина зменшується. Допустимий час зберігання заряду визначається процесами , що приводять до накопичення паразитного заряду QP . В основному це термогенерації електронно -доручених пар в збідненому шарі і на поверхні , а також до деякої міри дифузія неосновних носіїв з об'ємної нейтральної області.
Розрахунок показує , що при малих значеннях накопичуюючого паразитного заряду QP його залежність від часу близька до лінійної , надалі криві стають сублінійниими , наближаючись до постійного значення QPM , що визначається співвідношенням (3).
На рис.5 наведено розрахункові криві для U3 = 10 В, N д = 5 • 1014 см - 3 , U0 = 3,8 В , теплова швидкість υт = 107 см / с , перетин захоплення σv = 2,2-10-16 см2 , щільність об'ємних центрів Nоб = l , 8 • 1014 см - 3 , щільність поверхневих центрів nпов = 6 • 1010 см - 2 . При цих параметрах і при QP = 0 час накопичення паразитного заряду , що становить 1 % від QpM , одно 20 мс ( для багатоелементних ПЗС , і особливо для аналогових пристроїв , більше накопичення паразитного заряду неприпустимо) .
Максимальний час зберігання можна визначити і експериментально , вимірявши час релаксації МДП - ємності , сформованої в тих же умовах, що і ПЗС , і що включається таким же імпульсом напруги. Наближено час накопичення паразитного заряду , рівного за величиною інформаційного, на порядок менше часу релаксації МДП - ємності. Досвід показує , що залежно від якості обробки поверхні кремнію і досконалості структури підкладки час релаксації лежить в межах 1-60 с. і відповідно час накопичення паразитного заряду становить 0,1 - 6 с. Переймаючись потрібним співвідношенням між величинами інформаційного та паразитного зарядів , неважко розрахувати максимальний час зберігання інформації в ПЗС . При співвідношенні 100 : 1 цей час становить десятки мілісекунд.
Ще раз відзначимо , що процеси накопичення паразитного заряду визначають максимальний час зберігання і мінімальну частоту роботи цифрових і аналогових пристроїв на ПЗС , а також заваджуючі струми в фотоприймальних ПЗС . Передача заряду з елемента в елемент здійснюється додатком до сусіднього електроду більшого по амплітуді напруги запису Uзап (рис.6). У зазорі між електродами (позначимо його довжину через l ) виникає тягуче поле , під дією якого дірки перетікають в більш глибоку потенційну яму.
Рис.6. Схема передачі заряда в ПЗС
У міру перетікання зарядів поверхневий потенціал в ПЗС1 збільшується ( за абсолютною величиною ) , а в ПЗС2 зменшується , в результаті чого поле в зазорі зменшується.
Очевидно , що напруга запису Uзап повинна перевищувати напругу зберігання Uхр тим значніше , чим більше відстань між електродами і чим сильніша кремнієва підкладка ( мал. 7). З малюнка видно , що практично для працездатних ПЗС ширина зазору не повинна перевищувати l = 2-3 мкм , a N д ≤ 1015 см - 3 . Мінімальна амплітуда імпульсу запису Uзап лінійно збільшується при зростанні UXP і QP .
Розглянемо динаміку переносу заряду з одного елемента ( ПЗС1 ) в інший ( ПЗС2 ) (рис.6). У режимі зберігання до ПЗС1 прикладений потенціал UXP , до ПЗС2 - нульовий потенціал. Заряд дірок щільністю Qp рівномірно локалізований в ПЗС1 . Після додатку до ПЗС2 потенціалу записи Uзап > Uхр в зазорі між осередками встановлюється тягуче поле , причому зазвичай напруженість його настільки висока , що дірки , що знаходяться поблизу лівої межі ПЗС1 , практично миттєво переходять в ПЗС2 . Концентрація дірок поблизу правої межі ПЗС2 дуже швидко спадає до нуля ( тобто поле зазору діє аналогічно полю зворотнього зміщеного колекторного pn - переходу в транзисторі ) . Різка зміна рівномірності розподілу дірок в ПЗС1 викликає їх інтенсивний дрейф і дифузію всередині потенційної ями зліва на право. Якщо покласти l << L і розглядати одновимірний випадок , то , як звичайно при таких процесах , для часу передачі заряду наближено повинно виконуватися: tпер ~ L2/μpе ( 4 )
Рис.7. Залежність мінімальної амплітуди імпульсу запису від напруги зберігання (а), довжини зазору (б) і концентрації домішки в підкладці (в).
де L - довжина затворів (електродів) ПЗС;
μре-поверхнева ефективна рухливість.
Очевидно, що коефіцієнт пропорційності в (4) залежить від того, який коефіцієнт ефективності передачі потрібно отримати. Зазвичай для багатоелементних ПЗС цей рівень дуже високий і становить
= QРППЗС2 / Qрп ПЗС1 = 0,99-0,9999,
де QPП - повний заряд в одній комірці.
Рис.8. Залежність нормалізованого заряду Q = 1 - часу передачі для приладів з параметрами: L = 6 мкм, μре = 180 см2 / В • с; чисельний розрахунок; - приближене аналітичне рішення.
У міру перетікання заряду з ПЗС1 в ПЗО2 концентрація дірок в ПЗС1, а отже, і дрейфова складова струму зменшуються і процес передачі, який визначається тільки дифузією, сповільнюється - «хвіст» перехідного процесу завжди більш затягнутий в порівнянні з початковою фазою (рис.8). Чим більше початкова щільність заряду Qp, тим більша його частина «Витече» за час першої швидкої стадії і тим менше (при заданому допустимому значенні) буде час передачі tпер. Епюри розподілу щільності заряду дірок в різні моменти часу представлені на рис.9. Через ліву межу ПЗС1 потоку дірок немає, тому на графіках рис.9 в будь-який момент часу градієнт концентрації дірок в цій точці дорівнює нулю.
Рис.9. Епюри розподілу Qp (y) у різні моменти процесу передачі
Наочною аналогією процесу передачі заряду є витікання в'язкої рідини з прямокутної посудини, торцева стінка якої (відповідна правій межі потенційної ями ПЗС) відсунута так само, як і в ПЗС, чим більше початковий рівень рідини, тим швидше виллється задана її частину.
Рис.10. Залежності коефіцієнта втрат ε1 від часу передачі для ПЗС з різною довжиною електродів.
Для більшості реальних структур ПЗС розміри L і l сумірні і дуже малі; за цих умов; стає істотним ефект проникнення крайового поля Еkр (яке ми вище вважали повністю зосередженим в зазорі) в область ПЗС1, що справляє визначальний вплив на перетікання частини, що є залишками зарядового пакета.
Розглянемо найважливішу характеристику ПЗС - ефективність передачі заряду, що представляє собою частину заряду дірок, які перейшли з ПЗС1 в ПЗС2 за час передачі . При заданому допустимому зменшення зарядового пакета, значення визначає максимальну кількість елементів , через яке інформація може бути передана без відновлення. Часто виявляється зручніше використовувати поняття втрати ( неефективності ) передачі ε = 1 - . При кінцевому часі передачі втрати заряду обумовлені , по-перше , тим , що за t = tnep частина заряду ε1 просто не встигає перетекти в сусідню клітинку і , по-друге , захопленням частини носіїв ε2 поверхневими пастками. Складова ε1 визначає втрати передачі на високих частотах , ε2 - на низьких і середніх частотах роботи .
Розглянемо докладніше захоплення носіїв поверхневими пастками. Якщо , наприклад , в ПЗС1 надходить інформаційний пакет , то частина дірок захоплюється
межею поділу діелектрик - напівпровідник. На наступному такті зарядовий пакет перетікає в ПЗС2 , рівновагу між інверсним шаром і поверхневими пастками порушується , і вони починають розряджатися . Ті носії , які звільняються пастками за t = tnep , встигають повернутися в зарядовий пакет , решта утворюють втрати передачі ε2 . Втрати ε2 залежать не тільки від щільності поверхневих пасток і величини зарядового пакета , але і від характеру попередньої зарядовим інформації , переданої через даний елемент . Якщо передається серія логічних 1 ( якій відповідають великі зарядові пакети ) , то втрати ε2 будуть максимальні в першому зарядовому пакеті і будуть зменшуватися в наступних, так як частина пасток , які захопили заряди від першого пакету , не встигне розрядитися до приходу наступного і ці пастки НЕ будуть брати участь у захопленні носіїв. Найгіршим випадком з точки зору втрат ε2 це коли передача чергується у послідовності логічних 1 і 0. У цьому випадку вираз для ε2 має вигляд:
(5)
де Nл - щільність поверхневих пасток ; т = 2 , 3 ... - кількість керуючих тактів ; Сд ( U3- U0) - величина зарядового пакета. У типових структурах ε2 = (2-3) 10-3 і в першому наближенні не залежить від тактової частоти.
Вплив поверхневих станів може бути зменшено, якщо в ланцюжок ПЗС ( в кожен зарядовий пакет) ввести деякий фоновий заряд , що заповнює поверхневі пастки. В результаті втрати інформаційного заряду при передачі зменшуються. Неповне усунення впливу пасток пояснюється рядом причин , головними з яких є крайовий ефект і захоплення носіїв не тільки при зберіганні , але і під час протікання зарядового пакета через ПЗЗ і зазор.
Крайовий ефект виникає через двовимірний розподіл електричного поля в реальних ПЗС , що робить потенційні ями не прямокутними , а закругленими . Отже, площа поверхні займана пакетом , буде залежати від величини заряду і завжди буде більше площі , займаної меншим за величиною фоновим зарядом. Тому поверх пастки , розташованої біля країв електрода , де фонового заряду немає , будуть порожніми і зможуть захоплювати носії з зарядного пакета. Втрати заряду цього ефекту складають ( 4-5) 10-4.
Захоплення носіїв у процесі передачі головним чином пов'язаний з тим , що в зазорі фонового заряду немає і тому пастки не заповнено . Зумовлена цим неефективність становить (2-3) 10-4. Таким чином, введення фонового заряду не дозволяє виконати умову ε2 → 0 , але в кілька разів зменшує втрати передачі , обумовлені захопленням носіїв поверхневими пастками.
На закінчення розглянемо фоточутливість ПЗС . Одним з факторів , що визначають фоточутливість , є коефіцієнт поглинання , який характеризує інтенсивність поглинання фотонів (з утворенням електронно -доручених пар). Коефіцієнт поглинання різко зменшується при збільшенні довжини хвилі падаючого світла. Тому область довжин хвиль , в якій здійснюється ефективне перетворення світлового потоку в інформаційні заряди ( звана областю спектральної чутливості) обмежена . Довгохвильова межа визначається шириною забороненої зони напівпровідника і для кремнію становить 1,1 мкм. Короткохвильова межа становить 0,4-0,5 мкм і обумовлена сильним поглинанням короткохвильових квантів світла у вузькому приповерхневому шарі , в якому інтенсивно відбувається рекомбінація фотогенеруючих носіїв.
Якщо вважати , що всі порушені носії збираються в ПЗС , то зарядний пакет Qpn , що накопичується за час генерації ( інтегрування ) ta під дією світлового потоку Нш , може бути розрахований за наступним наближеним висловом :
QPП = qHизθtи·Aэ , (6)
де θ - квантовий вихід; Ае - частина площі елемента, що сприймає світло. Для ПЗС θ = 1, цьому відповідає фоточутливість порядку 500 мкА / лм. Порогова чутливість, при якій сигнал перевищує шуми приблизно в 2 рази, складає для ПЗС близько 10-4 лк • с. Фотоприймальний пристрій на ПЗС можна висвітлювати з боку затворів (електродів) або з зворотному стогони.