1.6.3. Приборы с зарядовой связью

Немногим более двадцати лет тому назад В. Бойл и Д. Смит показали на примитивном «прародителе» современных приборов с зарядовой связью (ПЗС), что между близко расположенными МОП-конденсаторами возможен обмен зарядами - зарядовая связь. Манипулируя смещениями, прикладываемыми к таким МОП-конденсаторам, можно накапливать заряды, перемещать их, разделять, объединять, т.е. осуществлять аналоговую и цифровую обработку информации на дискретных, но связанных между собой элементах.

ПЗС - полупроводниковый прибор, имеющий большое число близко расположенных и изолированных от подложки затворов (МДП-структур), под которыми может происходить перенос к стоку информационных пакетов неосновных носителей заряда, либо инжектированных из истока, либо возникших в подложке при воздействии оптического излучения.

Из данного определения можно выделить две основные особенности ПЗС. Во-первых, это полупроводниковый прибор, представляющий собой семейство полевых транзисторов. Однако принцип его работы подобно биполярным приборам основан на движении неосновных носителей заряда. Во-вторых, так как единый (непрерывный) проводящий канал между истоком и стоком отсутствует, а движение заряда происходит от затвора к затвору, то для реализации такого движения на затворы необходимо подавать соответствующие напряжения. Поэтому в отличие от всех ранее рассмотренных ППП, ПЗС является динамическим ППП, функционирование которого возможно только при подаче постоянно изменяю­щегося по величине управляющего напряжения.

Принцип работы ПЗС рассмотрим на примере прибора с тремя секциями затворов переноса носителей заряда, структура кото­рого и временные диаграммы, поясняющие его, работу, приведены на рис. 1.6.14. Прибор выполнен на подложке из n-кремния и имеет две высоколегированные -области, использующиеся соответственно как исток и сток. Между этими областями расположено семь затворов. Затвор, расположенный непосредственно рядом с истоком, является управляющим, остальные шесть затворов необходимы для переноса неосновных носителей от истока к стоку. Как видно на рис. 1.6.14 они попарно соединены между собой через два затвора, образуя три секции переноса. Таким образом, прибор, кроме трех традиционных для полевого транзистора выводов - исток, затвор, сток, снабжен еще тремя управляющими (динами­ческими) выводами.

Для нормального функционирования на секции переноса прибора подаются возрастающие ступенчатые напряжения, причем уровень одного из них меньше по абсолютной величине порогового напряжения МДП-структуры , а двух других - больше. Уровни напряжений циклически изменяются, создавая в теле n-полупроводника сдвигающуюся вслед за изменением ступенчатого напряжения потенциальную яму. Эта яма увлекает за собой неосновные для подложки носители заряда (в рассматриваемом случае – дырки).

Рис. 1.6.14. Структура ПЗС (а) и временные диаграммы изменения напряжения на его выводах (б - д)

Предположим, что в некоторый момент времени на управляющий затвор ПЗС подано напряжение , достаточное для образования под ним проводящего канала, а на первую секцию затворов переноса подано максимальное напряжение переноса, большее чем , т.е. . В этом случае под затвором первой секции переноса существует потенциальная яма, в которую через канал, образованный управ­ляющим затвором, из области истока будут перемещаться неосновные носители заряда - дырки. Под левым затвором секции переноса будет накапливаться некоторый положительный заряд. Этот заряд пропорционален напряжению (рис. 1.6.14,б). К моменту циклического изменения напряжений переноса напряжение с управляющего затвора снимается. Канал между истоком и потенциальной ямой запирается, а под левым затвором первой секции переноса образуется некоторый пространственный заряд из инжектированных истоком дырок. После смены напряжений на затворах секций переноса наибольшее по абсолютной величине напряжение будет приложено ко второй секции, т.е. .

Вследствие этого объемный заряд, накопленный под затвором первой секции, будет перетекать в потенциальную яму, образовав­шуюся под затвором второй секции. При этом дополнительная подпитка этого заряда со стороны истока будет отсутствовать, так как проводящий канал заперт , а перетеканию заряда под затвор третьей секции препятствует напряжение , которое меньше порогового (рис. 1.6.14, в). Таким образом, на втором такте изменения напряжения переноса весь объемный заряд, накопленный в первом такте под затвором первой секции, переместится под затвор второй секции.

При следующих тактах изменения напряжения переноса объемный заряд будет перемещаться от секции к секции по направлению к стоку.

На шестом такте изменения напряжения переноса объемный заряд достигнет крайнего правого затвора третьей секции и так как , то, следовательно, произойдет его экстракция в область стока. Это сопровождается появлением на выводе стока некоторого напряжения или протеканием в соответствующей цепи импульса тока.

Если в начальный момент напряжение на управляющем электроде больше порогового (рис. 3.14, д), т.е. ,

Рис. 1.6.15. Характер изменения коэффициента потерь от частоты напряжения передачи

то накопление объемного заряда под затвором первой секции не произойдет и через семь тактов напряжения переноса с вывода стока будет снято нулевое напряжение.

Таким образом, прибор способен передавать фиксированные порции электрического заряда от истока к стоку, причем величина этого заряда определяется значением управляющего напряжения , а время задержки передачи зависит от частоты изменения напряжения на секции переноса.

Из описания принципа работы прибора видно, что функционирование прибора невозможно без воздействия внешнего циклически изменяющегося напряжения. Частота изменения этого напряжения должна выбираться с учетом следующих соображений. Очевидно, что хранение заряда в потенциальной яме вследствие токов тепловой генерации, природа которых аналогична обратному току p-n-перехода, сопряжено с потерей этого заряда. Поэтому с понижением частоты изменения напряжений переноса величина заряда, достигающая стока, уменьшается. Следовательно, с точки зрения увеличения коэффициента передачи частота изменения напряжения должна увеличиваться. Однако увеличение частоты наталкивается на ограничения, связанные с конечным временем перетекания объемного заряда из одной потенциальной ямы в другую.

Поэтому реальная частота изменения напряжения передачи имеет ограничения как сверху так и снизу и лежит в диапазоне от десятков килогерц до десятков мегагерц.

Основные параметры ПЗС характеризуются либо эффективностью передачи заряда

где - заряд, находившийся под i-м затвором; - заряд, находившийся под (i + 1)-м затвором, либо коэффициентом потерь

.

На рис. 1.6.15 приведена типовая зависимость от частоты изменения напряжения передачи.

Современные ПЗС представляют собой схемы с большой степенью интеграции. Первые ПЗС насчитывали всего семь конденсаторов, в современных число элементов превышает миллион. Столь внушительный рост за сравнительно небольшой срок объясняется рядом причин. Во-первых, сам принцип зарядовой связи весьма привлекателен своей простой и изяществом: информация в ПЗС передается зарядами без промежуточных преобразований заряда (тока) в потенциал и обратно, как это происходит, скажем, в цепочке связанных транзисторных элементов. Каждое преобразование характеризуется некоторой неопределенностью, следовательно в ПЗС, где число преобразований сведено к минимуму (на входе и выходе), достижима обработка информации наиболее воспроиз­водимым образом. Во-вторых, ПЗС обладают исключительной функциональной широтой: пожалуй, кроме генерации сигналов, они могут выполнять любые действия, связанные в основном с на­коплением и преобразованием информации.

Табл. 4

Сравнительные характеристики ФПЗС и ЭЛТ

Характеристика	ФПЗС			ЭЛТ	Примечание
Пороговая чувствительность	Высокая			-	Выходная емкость меньше у ФПЗС
Разрешение	600 телевизионных (ТВ) линий в матрицах, несколько тысяч ТВ при гибридной сборке			-	-
Продолжение табл. 4
Растр	Жесткий (точность мкм)			Плавающий	Новое качество
Обработка информации внутри прибора	Осуществимо			Невозможна	То же
Произвольная выборка	То же			То же	« «
Инерционность	Практически отсутствует			15…40 %	-
Потребляемая мощность, Вт	0,5			5	-
Питающие напряжения, В		5…25	200…10000			-
Масса, г		5	50			-
Объем,		0,5	5			-
Долговечность, ч		15000	500…800			-
Механическая прочность, g		До 20000	1000			-
Взрывоопасность		Нет	Есть			Новое качество
Микрофонный эффект		Нет	Есть			То же
Чувствительность к магнитным полям		Нет	Есть			« «

можно назвать три основные сферы применения ПЗС: преобразование излучения в электрический сигнал – фоточувствительные ПЗС (ФПЗС); аналоговую обработку информации – линии задержки, фильтры; запоминающие устройства ПЗС (ЗУ). В-третьих, конструктивно-технологические особенности ПЗС таковы, что в них достичь высокой степени интеграции легче, нежели в других БИС. Например, ФПЗС представляют собой регулярный массив сравнительно простых по топологии элементов, к которым нет нужды изготовлять индивидуальные контакты.

Наибольшее развитие и практическое применение в настоящее время получили ФПЗС [4-Растры]. Они, по сути, заполнили вакуум в прямом и переносном смысле в такой важной области науки и техники, как телевидение. Впервые в телевидение пришли твердотельные преобразователи излучения в видеосигнал, способные не только заменить вакуумные электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), но и привнести с собою новые качества. Жесткий геометрический растр, возможность обработки информации непосредственно на кристалле, нечувствительность к магнитным полям - далеко не полный перечень специфических свойств ФПЗС, не реализуемых в ЭЛТ. Табл. 1.6.2 достаточно убедительно демонстрирует достоинства ФПЗС.

К настоящему времени во всех развитых странах ФПЗС выпускаются серийно, а также появился специальный термин «твердотельнoe телевидение».