Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ4 / Часть 8 / Часть 8 / 1-4
.doc
Часть 8 Приборы с зарядовой связью
(ПЗС, CCD — Charge Copled Devices)
1. Назначение ПЗС. Хранение заряда
ПЗС — матрицы близко расположенных друг к другу МДП - конденсаторов. Специальные тактовые импульсы на затворах создают на конденсаторах режим глубокого обеднения. Зарядовые пакеты хранятся под затворами и могут контролируемым образом перемещаться вдоль матрицы.
2 типа ПЗС:
1) с поверхностным каналом — заряды хранятся у границы раздела полупроводник - диэлектрик;
2) со скрытым каналом — заряды хранятся в толще полупроводника.
Основной элемент ПЗС с поверхностным каналом:
SiO2
Состояния нестационарны
(время их существования <<
времени жизни).
На поверхности — потенциальная яма для электронов.
При Q = 0 яма пуста:
— поверхностный
потенциал.
V
FB
— напряжение плоских зон
(зависит от разности работ выхода
металл-полупроводник и Qss).
При VG
=
VFB: 
.
При Q 0 яма частично заполнена:
—
сигнальный заряд (электронов).
— поверхностная плотность
сигнального заряда.
(при
).
Определение функции
.
Из энергетической диаграммы:
, (1.1)
где VD — напряжение на диэлектрике.
, (1.2)
где
— удельная емкость диэлектрикаю
; 
,
или
; 
, (1.3)
где 
. (1.4)
Подставляя (1.3) в (1.2), а затем в (1.1), получим:
.
Решение этого уравнения для глубины
ямы
:
. (1.5)
Глубина ямы уменьшается при увеличении V0, т.е. при увеличении NB и d (уменьшении CS). Если с боковых краев увеличить NB и (или) d, глубина ямы под затвором ПЗС будет больше, чем снаружи. Исключается боковое растекание заряда.
Обычно
см-3,
d
< 0.1 мкм,
В. При этом:
В
,
и 
. (1.5а)
Таким образом, функция
почти линейна.
Отсюда — модель “гидравлической” потенциальной ямы емкостью CS , которая “заливается” сигнальным зарядом - QS (рис. выше). С ростом заряда верхний уровень этой “жидкости” (поверхностный потенциал) линейно приближается к нулю — верхнему краю ямы.
2. Принцип действия и структура ПЗС
Структура р-Si / SiO2 / электроды переноса.
а — сигнальный зарядовый пакет под средним электродом. На нем напряжение выше, чем на соседях.
б — на правый затвор подается максимальное из трех возможных значений напряжения; заряд переносится в яму максимальной глубины.
3-фазный ПЗС:
Регистр содержит много групп из 3-х электродов переноса (затворов), например 256.
Входная часть: входной диод D IN и входной затвор G IN.
Выходная часть: выходной диод D OUT и выходной затвор G OUT.
Д
ействие
ПЗС:
t1: V1 = Vmax ; V2,3 = Vmin ;
DIN, OUT закрыты высоким напряжением;
инжекция электронов в канал под GIN, OUT и под все электроды регистра исключена.
Все ямы пусты.
t2: DIN открывается и инжекти-рует электроны через GIN в яму 1.
t3: DIN запирается. Избыточный заряд из ямы 1 стекает обратно в диод. В яме 1 остается заряд, пропорциональный сигналу V1 - VG IN.
t4: V2 = Vmax ; V1 снижается. Заряд перетекает из ямы 1 в яму 2 —перенос заряда. Срез тактовых импульсов специально затянут, т.к. на перетекание заряда требуется конечное время.
t5: весь заряд под 1-м электродом фазы 2.
t6: через соответствующее число циклов переноса сигнальный заряд оказывается под последним электродом фазы 3.
t7: напряжение на фазе 3 снижается и заряд через выходной затвор GOUT “выталкивается” в выходной диод DOUT. Выходное устройство вырабатывает импульс тока или напряжения, пропорциональный зарядовому пакету, т.е. входному сигналу в момент его формирования.
ПЗС — это аналоговая память. Сигнал вводится последовательно под электроды 1-й, 2-й и т. групп и передвигается. Затем он последовательно выводится.
В системах регистрации оптического изображения зарядовые пакеты формируются в результате генерации электронно-дырочных пар под действием света (электроды переноса должны быть прозрачными). Выходные сигналы пропорциональны освещенности каждого электрода. Можно, например, измерять спектры.
Применение: система наводки на резкость в фотокамерах, формирование изображения в цифровых фото- и кинокамерах.
3-фазные тактовые импульсы обеспечивают направленность переноса заряда (слева направо). Возможно использование 2-фазных тактовых импульсов. Для этого ямы должны быть несимметричными — глубже в направлении переноса. Один из способов – более толстый окисел под правой половиной каждого электрода переноса.
3. Эффективность переноса заряда и быстродействие
3 механизма переноса сигнального заряда:
1). Термическая диффузия;
2). Самоиндуцированный дрейф;
3). Дрейф в краевых электрических полях.
Для небольших зарядовых пакетов (потенциальная яма почти пуста) главный механизм — термодиффузия. Заряд под электродом, из под которого осуществляется перенос, уменьшается со временем экспоненциально. Характерная постоянная времени
, где
L —
длина электрода переноса.
Для сравнительно больших зарядовых пакетов (потенциальная яма существенно заполнена) главный механизм — самоиндуцированный дрейф (кулоновское расталкивание электронов). Сигнальный заряд уменьшается по гиперболическому закону:
, где 
.
В конце процесса переноса (самоиндуцированный дрейф уже слаб) существенную роль играют краевые поля.
Качество переноса заряда характеризуется эффективностью переноса — частью заряда, которая успела перетечь под нужный затвор за время длительности тактового импульса T:
.
Неэффективность переноса — часть заряда, которая не успела перетечь:
. В
хороших ПЗС 
.
Эффективность переноса снижается при уменьшении длительности тактового импульса T, т.е. при повышении тактовой частоты.
Для повышения допустимой тактовой частоты следует уменьшать длину электродов L. Но она должна оставаться много большей зазора между затворами L (иначе ямы не будут взаимодействовать). Практически
L ~ 4 мкм, fmax ~ 10 МГц (T ~ 50 нс).
Необходимое условие: 
,
где
— время жизни электронов. При этом мал
термогенерированный заряд,
снижающий чувствительность
ПЗС.
4. ПЗС со скрытым каналом
В ПЗС с поверхностным каналом сигнальные заряды расположены у границы с окислом, где ловушки снижают эффективность переноса.
ПЗС со скрытым каналом:
Введен приповерх-
ностный слой n-Si.
При Q = 0 n-слой полностью обеднен тактовыми импульсами положительной полярности.
Сигнальный заряд хранится в центральной части n-слоя, свободного от ловушек.