Разновидности пзс

Анализ ПЗС с трехтактным питанием. ПЗС состоит из вход­ного устройства, системы переноса зарядов и выходного устройства. Входное устройство содержит исток Р⁺ и управляющий зат­вор. При подаче входного напряжения на управляющий затвор под ним образуется канал и происходит переброс дырок из истока в первую ячейку системы переноса — МДП - конденсатор.

В схемах с трехтактным питанием все ячейки объединены в три секции. В первой секции объединены все ячейки, расположен­ные под номерами 1, 4, 7, 10 и т. д., во вторую секцию — под но­мерами 2, 5, 8, 11 и т. д., в третью — 3, 6, 9, 12 и т. д. На ячейки от специального тактового генератора подаются обратные напряжения через три контактные площадки с выводами от каждой ячейки МДП - конденсатора (рис. 121,а). Более высокое обратное напряжение подается на одну из трех ячеек, на две других — меньшее напряжение.

Такт 1 (рис. 121,б). Более высокое обратное напряжение по­дано на секцию 1, при этом на первую ячейку поступила инфор­мация в виде электрического сигнала, который надо передать на выход (допустим, логическая единица). Это значит, что в потен­циальной яме первой ячейки накоплен определенный заряд, несущий информацию единицы. Так как на соседней ячейке потенци­ал ниже, то этот заряд накоплен и хранится до следующего такта.

Такт 2 (рис. 121,в). На секцию 2 подается повышенное напряжение, на секции 1 и 3 — пониженное. Так как под второй ячейкой образовалась глубокая потенциальная яма; то заряд пер­вой ячейки перейдет во вторую и будет там храниться. Обратное напряжение на второй ячейке больше, чем на первой и третьей, поэтому заряд не может уйти на эти ячейки, так как между ними создано тормозящее поле.

Такт 3 (рис. 121,г). На секцию 3 подается повышенное нап­ряжение, на секции II и 2 — пониженное. В этом случае между второй и третьей ячейкой создается ускоряющее поле для элект­ронов и заряд со второй ячейки перемещается в третью.

Таким образом осуществляется направленный перенос зарядов со входа на выход. Выходной электрод — сток Р⁺.

Анализ ПЗС с двухтактным питанием. Такие ПЗС проще по конструкции ПЗС с трехтактным питанием, так как требуют все­го две шины питания и две контактные площади. Однако при этом возникает трудность — симметрия слева и справа, каждой ячей­ки ПЗС по отношению к двум соседним, так как по обе стороны данной ячейки существуют две глубокие потенциальные ямы и заряд будет передаваться в оба направления. Чтобы избежать это­го явления, искусственно создается асимметрия, для чего под каждым затвором МДП - конденсатора толщина меняется так, что­бы в сторону переноса, например направо, толщина была меньше. Чем меньше толщина диэлектрика, тем поле обратного нап­ряжения действует сильнее и глубина потенциальной ямы будет больше. В результате создается электрическое поле переноса толь­ко в одном направлении. Существуют и другие разновидности ПЗС.

Параметры пзс

Эффективность передачи зарядов показывает, какая часть за­рядов переносится из одной потенциальной ямы в ближайшую следующую. Эффективность переноса зарядов

Одно из особенно больших достоинств ПЗС — большая эффек­тивность, которая достигает в лучших приборах 99,999%. Так как очень близко к 1, то удобнее пользоваться обратным парамет­ром - неэффективностью передачи, или коэффициентом потерь , который достигает для лучших образцов10^-5. Естествен­но, что чем больше шагов переноса, тем больше потери.

Основная причина снижения эффективности в том, что часть зарядов захватывается ловушками, т. е. образованными на гра­нице между диэлектриком и полупроводником поверхностными состояниями, структура которых отличается от требуемой, и спо­собными притянуть к себе заряд. Эффективность будет тем боль­ше, чем меньше время переноса заряда, а это значит, чем мень­ше расстояние между ячейками, чем выше подвижность носителей заряда, чем больше напряжение переноса.

Уровень шумов ПЗС определяется захватом некоторого коли­чества носителей приповерхностными ловушками. Через некото­рое время эти носители освобождаются из ловушки, увеличивая накопленный заряд в какой-либо ячейке. Эти шумы получили на­звание шумов переноса. Создание скрытого слоя уменьшает уро­вень шумов переноса.

Диапазон тактовых частот ПЗС ограничен снизу и сверху. Нижняя частота связана с наличием термогенерации носителей заряда за счет температуры. Основные носители оттесняются вглубь под действием тактового напряжения, а неосновные при­тягиваются к поверхности и накапливаются у границы раздела диэлектрика с полупроводником. Эти заряды накапливаются в потенциальных ямах независимо от напряжения сигнала. Чем вы­ше температура, тем больше этих зарядов. Так как заметное на­копление зарядов в ячейке за счет термогенерации может прои­зойти за сотые доли секунды, то, чтобы термогенерация не по­влияла на переносимый заряд, нижняя тактовая частота должна составлять не менее единиц килогерц. Верхняя частота связана с перебросом заряда из ячейки в другую соседнюю и достигает де­сятков мегагерц.

Области применения ПЗС

Фоточувствительные приборы. Одно из основных направлений применения ПЗС — создание фоточувствительных твердотельных приборов, заменяющих вакуумные электронные передающие трубки.

Принцип действия такого прибора, созданного на основе ПЗС, заключается в том, что в отдельной ячейке МДП - конденсатора происходит непосредственное преобразование энергии светового потока в электрическую энергию. Если энергия кванта света пре­вышает энергию, соответствующую ширине запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной, то происходит яв­ление генерации — образование электрона и дырки проводимости. Эти носители заряда в полупроводнике под действием электрического поля, образованного за счет тактового напряжения, разделяются. Основные носители оттесняются в глубь полупроводника, неосновные притягиваются к границе раздела, накапливаясь в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален световому потоку, падающему на поверхность ячейки, и времени.

Таким образом, в ячейках ПЗС производится запись световой информации в виде зарядов различной величины, затем заряды перемещаются поочередно на выход, где преобразуются в элект­рическое напряжение следующих поочередно импульсов, амплитуда которых пропорциональна освещенности. Устройство преобра­зователя — пластинка небольших размеров, на которую проекти­руется с помощью объектива световой поток от изображения. Че­рез прозрачный диэлектрик свет воздействует на полупроводники каждой ячейки, образованной МДП - конденсатором.

На поверхности пластины размещено несколько сот тысяч эле­ментарных МДП - конденсаторов. Каждому элементу изображения соответствует отдельный МДП - конденсатор. По сравнению с ва­куумными передающими трубками данный прибор, обеспечивая такие же качественные показатели, имеет несравнимо меньшие габаритные размеры и массу, потребляет гораздо меньшую мощность, а самое главное, имеет большие надежность и срок службы.

Созданные на основе ПЗС устройства преобразования света в электрические сигналы в настоящее время успешно используют для измерений отдаленных и малодоступных объектов, например толщины раскаленного проката, лесоматериалов, размеров слитков кремния. Эти же приборы позволяют считывать различные надписи — номера вагонов, индексы на конвертах и т. д. Очень перспективно применение этих приборов в робототехнике.