1. Состояние аккумуляции или обогащения.

Если электрод смещен относительно подложки отрицательно на некоторую величину U_Э. Это означает, что на границе электрод-диэлектрик находится отрицательный заряд, а в полупроводнике индуцируется равный ему положительный заряд, образованный дырками, которые поступают в подложку из внешней цепи. Дырки мгновенно (за время ~ 10^-12 с) собираются у границы раздела п/п – диэлектрик, формируется тонкий слой высокой проводимости (р⁺). На зонной диаграмме этому соответствует приближение верха валентной зоны к уровню Ферми в близи границы раздела, т.е. зоны у поверхности изгибаются в вверх. Толщина слоя аккумуляции очень мала и при U_Э = -10 В составляет около 0,8 нм, а концентрация дырок у поверхности раздела ≈10¹⁸ см^-3, т.е. на 4 порядка больше, чем в объеме.

2. Состояние обеднения.

При небольшом положительном смещении заряд на электроде оттолкнет аккумулированные у поверхности дырки и связанные с ними изгиб зон вверх исчезнет. Зоны опустятся к низу, пройдут состояние плоских зон и прогнутся. Не экранируемое более дырками поле сможет проникнуть глубоко в подложку. Смещение на электроде при обеднении уже не приходится целиком на диэлектрик, как это было при аккумуляции, а делится между диэлектриком и обедненным слоем. Зависимость между поверхностным потенциалом φ_пов и приложенным к электроду смещением U_Э имеет вид:

,

где С_Д – емкость диэлектрика; ε_n – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Полная емкость МОП-структуры в режиме облучения поверхности основными носителями определяется емкостью диэлектрика и обедненного слоя

.

3. Состояние инверсии.

При большом положительном смещении на электроде, энергетические зоны в полупроводнике всё круче изгибаются книзу и в какой-то момент середина запрещенной зоны совпадает (φ_пов = Ψ_F), а затем и пересечет уровень Ферми (φ_пов >Ψ_F). Это соответствует тому, что у поверхности полупроводник р-типа инвертирован в полупроводник n-типа. Объемная концентрация электронов становится сравнимая с концентрацией дырок. Электронов сначала не много, т. к. они не основные носители. Но с течением времени они накапливаются в количестве достаточном для инверсии. Различают слабую (φ_пов = Ψ_F) и сильную инверсии (φ_пов = 2Ψ_F). При φ_пов = 2Ψ_F поверхностная концентрация не основных носителей (электронов) ровна исходной концентрации основных (дырок). При инверсии возникает тонкий слой электронов у поверхности, а далее обедненный слой. Максимальная толщина обедненного слоя при сильной инверсии составляет

Пороговое напряжение U_пор, т.е. смещение на электроде, при котором начинается сильная инверсия

В реальных Si МОП-структурах есть существенные отличия от идеальных рассмотренных выше: имеются поверхностные ловушки и заряды в окисле, а также различие в работе выхода n/n и металла диэлектриков (поликремния). Поверхностные ловушки возникают из-за того, что на границе Si – SiO₂ нарушается пространственная периодическая структура кристаллической решетки. Плотность поверхностных ловушек (состояний) зависит от метода окисления и может быть снижена дополнительной обработкой, заполняющей обратные связи. (Например, отжигом в среде водовода).

В любом ПЗС используется МОП-структура, находящаяся в нестационарном состоянии. В состоянии сильной инверсии приповерхностной слой электронов формируется не сразу (в отличии от слоя дырок при аккумуляции). Единственным источником электронов являются процессы генерации носителей на поверхности и в объеме полупроводника. От момента подачи смещения и до момента формирования инверсного слоя МОП-емкость находится в нестационарном состоянии.

В полупроводнике при температурах, отличных от абсолютного нуля, идут процессы тепловой генерации электронно-дырочных пар. В обедненной области МОП-структуры пары разделяются электрическим полем и электроны скатываются в потенциальную яму у поверхности. По мере накопления электронов у поверхности, поверхностный потенциал и толщина обедненного слоя уменьшаются. В конце концов, останется один обедненный слой толщиной около 1 нм, а потенциальная яма перестанет существовать, т.к. её заполняет электроны. Темновая генерация в ПЗС считается паразитным явлением, и её всячески стараются уменьшить, с тем, чтобы увеличить длительность нестандартного состояния МОП-структуры, в течении которого потенциальную яму можно заполнить полезным сигналом.

В фоточувствительных ПЗС источником полезного сигнала являются электроны, генерируемые под действием света, в количестве пропорциональном количеству поглощенных фотонов. При этом электроны могут попадать в потенциальную яму двумя способами: генерироваться в обедненном слое (т.е. в самой яме) и за счет дрейфа из нейтрального объема n/n. Второй процесс существенно менее влиятелен но, тем не менее, в ряде случаев им нельзя пренебрегать.

Размещаемый в потенциальной яме информационный заряд Q_инф называют зарядовым пакетом. Зарядовый пакет в фоточувствительных ПЗС формируется постепенно, в течении времени накопления. Величина зарядового пакета пропорциональна количеству носителей, генерируемых поглощенными фотонами, и времени в течении которого на электроде поддерживается обедняющее смещение. Обычно разделяют время накопления, которое связано с фотонной генерацией и время хранения, в течение которого яма пополняется только за счет тепловой генерации (тепловой ток). Максимальное время накопления и хранения определяются, в основном, процессом термогенерации. Поэтому, для реализации больших времен накопления ПЗС стремятся охлаждать.

В рассмотренной выше МОП-емкости зарядовый пакет образован поверхностными электронами, локализованными в тонком слое у поверхности раздела диэлектрик-полупроводник. Несовершенство границы раздела (ловушки и поверхностные состояния) приводит к естественному желанию отодвинуть потенциальную яму от поверхности в объем полупроводника. Для смещения максимума потенциала в объем было предложено создать у поверхности неглубокий слой с противоположным подложке типом проводимости. Такая структура показана на рисунке. В подложке р-типа сформулирован слой n-типа толщиной 0,5 – 5 мкм, внутри которого образуется слой основных носителей, обычно называемый объемным или скрытым каналом. Если на электрод и сток канала подать положительные смещения, то в зависимости от соотношения их величин могут быть получены разные профили потенциала в объеме. Важно, что при смещении на стоке большем, чем смещение электрода поверхностная часть канала обеднится, а при еще большей разнице произойдет полное обеднение канала, а максимум потенциальной ямы будет лежать в глубине канала. Физически это означает, что там же в глубине, вдали от поверхностных ловушек, будут накапливаться электроны. Распределение потенциала в объемном канале показано на рисунке. Такие МОП-структуры с объемным каналом используются во всех современных ПЗС.