Зарядовая связь

Если две МОП-емкости сблизить так, чтобы между ними был минимальный зазор (0,2 – 1 мкм), либо его вообще не было, можно организовать передачу (перенос) накопленного под одним электродом зарядового пакета под другой электрод. Это и есть зарядовая связь, основная идея ПЗС – т.е. перенос заряда последовательно по цепочке МОП-конденсаторов. На рисунке показаны две близко расположенные емкости. На электроды подается импульсное смещение с периодом Т и двумя уровнями высоким (вершина) и низким (нижним).

Если в начальный момент на левый электрод подан высокий уровень, то под ним образуется глубокая потенциальная яма, в которую тем или иным способом может быть помещен заряд (зарядовый пакет). Важно, что дно левой потенциальной ямы ниже, чем правой. Далее происходит переключение левого электрода с высокого уровня на низкий, а правого с низкого на высокий. В результате этого дно правой ямы окажется ниже, чем левой и заряд из под левого электрода будет перетекать под правый. На рисунке показаны различные стадии этого процесса, связанные с различными механизмами переноса зарядов: самоиндуцированного дрейфа, дрейфа под действием краевого поля и тепловой диффузии носителей заряда. Обычно в ПЗС для демонстрации перетекания зарядов используется, удобная в понимании гидравлическая модель.

Для оценки полноты переноса заряда используют понятие эффективность переноса () – отношение заряда, успевшего за период тактирования Т перетечь под второй электрод к величине заряда, находившегося под первым электродом.

Под неэффективностью понимают величину ε=1-η. Если не эффективность велика, после многократных переносов от зарядового пакета ничего не останется. Поэтому у современных ПЗС η ≈ 0,99998 и лучше. Что обеспечивает несколько тысяч переносов практически без потерь заряда.

Сдвиговый регистр с зарядовой связью.

Зная, как происходит накопление заряда в МОП-емкости и перенос зарядового пакета между двумя МОП-емкостями, связанными зарядовой связью нетрудно перейти к цепочке из многих, связанных МОП-емкостей, т.е. сдвиговому ПЗС-регистру. На рисунке показана структура сдвигового регистра, каждый элемент которого образован тремя электродами. Одноименные электроды всех элементов соединены шинами, образуя фазовые электродные системы (фазы). Такая структура называется трехфазной. Последовательно чередуя подачу высокого и низкого уровня на фазы (электроды) можно добиться передачи накопленных зарядных пакетов по цепочке вдоль регистра, как это показано на рисунке. При этом важно заметить, что при каждом импульсном переключении уровня фаз перенос зарядовых пакетов происходит одновременно из-под всех одноименных электродов (одной фазы) под другие одноименные электроды, например, как на рисунке вправо. Из-под электродов 2-й фазы, под фазу 3, а затем под фазу 1. Далее все идет циклически.

Трехфазный сдвиговый регистр отличается простейшей структурой, а также очень прост в изготовлении. Главная его особенность состоит в том, что направленность переноса создается индуцированными потенциальными барьерами, которые образуются в каждом элементе со стороны противоположной направлению переноса. То же самое характерно и для 4-х фазных регистров, см. рисунок, а также более многофазных структур, которые иногда встречаются. Индуцированный потенциальный барьер создается путем внешнего переключения, что усложняет тактовую диаграмму.

Альтернативу представляет конструкция ПЗС-регистра со встроенными потенциальными барьерами, т.е. барьерами, созданными технологическим способом. Асимметричное распределение потенциала можно получить либо изменением толщины диэлектрика, либо неоднородным распределением примеси под электродами. На рисунке показана организация и перенос заряда в двухфазном регистре с ионно - имплантированными барьерами. Такие двух-фазные ПЗС приборы получили очень широкое распространение.

Для ограничения областей направленного переноса в сдвиговом ПЗС-регистре необходимы стоп-канальные области. Эти области препятствуют растеканию зарядов в стороны, т.е. в направлении перпендикулярном направлению переноса. Обычно стоп-канальные области образуются легированием подложки примесью того же типа проводимости, но очень высокой концентрации, при этом состояние обедненного в этих областях не наступает. Геометрия стоп-областей и электродов определяет направление движения зарядовых пакетов по горизонтали и вертикали в матричных двух-координатных ПЗС, например как это показано на рисунке справа.

Основным способом ввода полезного электрического сигнала в фоточувствительные ПЗС является генерация носителей при попадании в подложку фотонов, прошедших через полупрозрачные электроды ПЗС. Тем не менее, в ряде случаев при использовании ПЗС в качестве коммутаторов сигналов используется и электрические способы ввода заряда. Для электрического ввода используются p-n переходы, смещенные в прямом направлении. Некоторые варианты входных устройств, обеспечивающие управляемое введение зарядовых пакетов в ПЗС показаны на рисунке. Для обеспечения низко шумящего ввода требуется применение дополнительных электродов между входным диодом, затвором и фазами ПЗС-регистра.

Для того, чтобы преобразовать зарядовые пакеты в изменение тока или напряжения в ПЗС имеются выходные устройства, которые согласуются с внешней нагрузкой, усиливает сигнал и осуществляют подавление тактовых помех, а в ряде случаев и геометрического шума. В основном применяется способ детектирования выходного сигнала по изменению плавающего потенциала. Плавающий потенциал устанавливается либо на МОП-емкости (выходные устройства с плавающим затвором "ПЗ2), либо на p-n переходе (выходные устройства с плавающей диффузионной областью "ПДО").

На рисунке показана работа простейшего выходного устройства с плавающей диффузионной областью. Область ПДО расположена рядом с электродами ПЗС регистра и отделена от него выходным затвором. В начальный момент цикла считывания ПДО заряжается от другой диффузионной области, на которую подано положительное смещение. Соединение осуществляется через открываемый на короткое время проводящий канал транзистора сброса (МОП-транзистора). После того как ПДО заряжена от источника Е, транзистор сброса запирается, а ПДО остается изолированной. Приход зарядового пакета в плавающую диффузионную область вызывает изменение её потенциала, равное величине заряда деленной на емкость ПДО и присоединенного к ней затвора транзистора VT_вых. Изменение потенциала на затворе транзистора VT_вых изменяет ток, протекающий через него, т.е. на выходе появился импульс тока, амплитуда которого пропорциональна величине накопленного зарядового пакета. После этого цикл считывания повторяется. На практике для уменьшения наводки и шумов, увеличения быстродействия применяют двух и трех-каскадные выходные устройства.