6.5. Приборы с зарядовой связью

К числу наиболее быстро развивающихся оптоэлектронных элементов электронных систем относятся многоэлементные фотоприемники. С помощью этих элементов производится анализ изображения путем последовательного поэлементного просмотра, поэтому наряду с большим числом элементарных фоточувствительных ячеек они должны включать и устройства для считывания информации.

Принцип действия сканирующих многоэлементных фотоприемников заключается в следующем. Оптическое излучение от объекта фокусируется на фоточувствительную поверхность, где световая энергия переходит в электрическую. Реакция каждого элемента (изменение тока, заряда, напряжения) пропорциональна его освещенности, поэтому яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Устройство считывания периодически производит последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Таким образом, на выходе устройства получается последовательность электрических сигналов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

Основные успехи в развитии многоэлементных фотоприемников связаны с созданием приборов с зарядовой связью (ПЗС). Идея использования зарядовой связи для создания многофункциональных интегральных схем была предложена американскими физиками У.С. Бойлом и Дж.Э. Смитом в 1970 г.Они показали, 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 (МОП-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.

Две особенности отличают ПЗС от обычного МОП-транзистора. Во-первых, несмотря на то, что ПЗС относится к семейству полевых транзисторов, принцип его работы подобно биполярным приборам основан на движении неосновных носителей заряда. Во вторых, так как непрерывный проводящий канал между стоком и истоком отсутствует, а движение зарядов происходит от затвора к затвору, то для реализации такого движения на затворы необходимо подавать напряжения, определенным образом изменяющиеся во времени. Поэтому ПЗС относится к динамическим полупроводниковым приборам. В зависимости от технологии изготовления и назначения ПЗС могут иметь различное число электродов управления (затворов). Соответственно ПЗС называют однофазными, двухфазными, трехфазными и т.д.

Принцип работы ПЗС рассмотрим на примере прибора с тремя секциями затворов переноса носителей зарядов, структура которого и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 6.10. Прибор выполнен на подложке из n-кремния и имеет две высоколегированныеp-области, использующиеся как сток и исток. Между этими областями расположено семь затворов. Затвор, расположенный рядом с истоком, является управляющим, остальные шесть затворов необходимы для переноса неосновных носителей от истока к стоку. Эти затворы попарно соединены между собой через два затвора, образуя секции переноса. Таким образом, прибор, кроме трех традиционных для полевого транзистора выводов – исток, сток, затвор, снабжен еще тремя управляющими (динамическими) выводами.

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

Предположим, что в некоторый момент времени t₀(рис. 6.10,б) на управляющий затвор ПЗС подано напряжениеU_упр, достаточное для образования под ним проводящего канала, а на первую секцию затворов переноса подано максимальное напряжение переноса, большее, чемU_пор, 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 U₁. В момент времениt₁ (рис. 6.10,в) 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. Накопленный таким образом заряд называетсязарядовым пакетом.

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. 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 (t  t₆) объемный заряд достигнет крайнего правого затвора третьей секции и произойдет его экстракция в область стока. Это сопровождается появлением на выводе стока некоторого напряжения или протеканием в цепи стока импульса тока.

Если в начальный момент времени напряжение на управляющем затворе больше порогового, 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, рассмотренная структура способна передавать фиксированные порции электрического заряда от истока к стоку, причем величина этого заряда определяется значением напряжения на управляющем затворе, а время задержки зависит от частоты изменения напряжения на секции переноса и количества секций переноса.

Если на электроды ПЗС подать смещения, при которых потенциальные ямы максимальной глубины находятся под вторыми ячейками каждой секции переноса, и такой прибор разместить в фокальной плоскости объектива, то в каждой потенциальной яме соберется заряд, соответствующий освещенности в данной точке, и изображение будет записано в виде зарядовых пакетов. В конце каждой строки элементарных ячеек размещается считывающее устройство (в простейшем случае – обратносмещенный p-n-переход, как на рис. 6.10.) и усилитель. При подаче на электроды ПЗС тактовых импульсов, обусловливающих перемещение зарядовых пакетов к выходному устройству, с выходного усилителя снимается последовательность импульсов, соответствующая световой картине. В направлении, перпендикулярном перемещению заряда, размер потенциальной ямы ограничен чаще всего узкими областями полупроводника того же типа проводимости, что и подложка, но с концентрацией примеси значительно более высокой (так называемыестоп-каналы), благодаря чему в этих местах поле почти не проникает вглубь полупроводника.

Частота изменения напряжения переноса выбирается из 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 напряжения переноса величина заряда, достигающая стока, уменьшается. Следовательно, с точки зрения увеличения коэффициента передачи частота изменения напряжения переноса 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 переноса имеет ограничения как сверху, так и снизу и лежит в диапазоне от десятков килогерц до десятков мегагерц.

ПЗС в настоящее время находит применение для:

• преобразования оптических сигналов в электрический сигнал – фоточувствительные ПЗС (ФПЗС);

• аналоговой обработки информации – линии задержки, фильтры и др.;

• создания запоминающих устройств (ПЗС ЗУ).

Наибольшее развитие и практическое применение в телевидении и системах обработки оптических изображений в настоящее время получили ФПЗС. Впервые в телевидение пришли твердотельные преобразователи излучения в видеосигнал, способные не только заменить передающие вакуумные электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), но и привнести с собой новые качества. Высокая чувствительность и разрешающая способность, возможность обработки информации непосредственно на кристалле, нечувствительность к магнитным полям – вот далеко не полный перечень специфических свойств ФПЗС, не реализуемых в ЭЛТ.

В настоящее время ФПЗС выпускаются промышленностью серийно, и к их использованию применяется термин «твердотельное телевидение». Однострочные ФПЗС на кремнии обычно содержат до 2 000 элементарных ПЗС-ячеек на одном кристалле (при длине кристалла до 30 мм), а ФПЗС на GaAs–до 100 таких ячеек. В зависимости от используемого полупроводникового материала или легирующей примеси спектральный диапазон чувствительности ФПЗС составляет 5014 000 нм. Кристаллы, содержащие ФПЗС, могут монтироваться методами гибридной сборки на единой печатной плате. В этом случае поле обзора увеличивается. Разрешение по строке однострочных фотоприемных устройств достигает 20 000 элементов. Матричные ФПЗС имеют число элементов разложения вплоть до, т.е. степень интеграции превышает 10⁶активных элементов на кристалл.

Для создания линий задержки и фильтров на ПЗС чаще всего применяются однострочные схемы с отводами или без них. Примером может служить линия задержки из двух строк по 455 элементов на частоту 14,32 МГц, предназначенная для телевизионной аппаратуры. Использование GaAsпозволяет поднять частотный диапазон этих устройств до 500 МГц.

Основой ЗУ на ПЗС является линия задержки. Для увеличения времени хранения информации зарядовые пакеты в таком ЗУ непрерывно циркулируют по ПЗС-структуре путем передачи их с выхода снова на вход через устройство регенерации, компенсирующее потерю зарядов при передаче. Чаще всего такая система используется в цифровом ЗУ.