12.6. Устройство и принцип действия прибора с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС, рис. 12.8) представляет со­бой совокупность взаимодействующих МДП-структур, используе­мых в полевых транзисторах с изолированным затвором. Взаимо­действие соседних структур обеспечивается из-за наличия общего однородного полупроводникового слоя и малого расстояния между затворами МДП-структур. Затворы (металлические электродыМ) изолируются тонким слоем диэлектрика Д от поверхности полупро­водника П, в качестве которого используется р- или n-кремний. Ши­рина каждого электрода 10...15 мкм, промежуток между ними 2...4 мкм. Толщина слоя диэлектрика 0,1 мкм. Каждую МДП-структуру в ПЗС можно рассматривать как конденсатор, одной из обкладок ко­торого является металлический электрод (затвор), а другой – полупроводниковая подложка.

Физические процессы в одной МДП-структуре были рассмотре­ны в § 7.4.2. При определенном значении положительного напряже­ния на затворе, называемом пороговым U_пор, концентрация электро­нов в поверхностном слое станет равной концентрации дырок (как и в собственном полупроводнике), а при U > U_пор у поверхности про­изойдет образование «инверсионного» слоя n-типа, отделенного от подложки р-n-переходом. Непосредственно под электродом образу­ется «потенциальная яма», в которой могут храниться электроны. «Глубина» этой потенциальной ямы зависит от значения приложен­ного напряжения, степени легирования полупроводника и толщины слоя диэлектрика. При подаче напряжения на соседний электрод (затвор) под ним также появляется потенциальная яма. Если рас­стояние между соседними электродами велико, так что их поля не взаимодействуют, то в каждой потенциальной яме может независи­мо храниться свой заряд (пакет) электронов. При малых же рассто­яниях между электродами их электрические поля будут взаимодей­ствовать. Если положительное напряжение U₂ на затворе 2 окажет­ся больше напряжения U₁ на затворе 1, то возникающее ускоряю­щее поле Е заставит электроны дрейфовать в область с более высо­ким потенциалом: из «мелкой» потенциальной ямы под первым за­твором в более «глубокую» под вторым затвором.

Так можно обеспечить перенос заряда электронов из одной потенциальной ямы в другую. Время существования потенциаль­ной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации пар носителей. Дырки под действием электрического поля в переходе инверсионный слой – подложка уходят в толщу р-полупроводника, а электроны накапливаются, заполняя потенциальную яму и создавая «фон». Процесс этот паразитный и неконтролируемый. Время, необходимое для заполнения потенциальной ямы вслед­ствие термогенерации, называется временем релаксации. Следо­вательно, хранение в потенциальных ямах зарядовых пакетов, несущих информацию о значении полезного сигнала, возможно в промежуток времени, существенно меньший по сравнению с вре­менем релаксации.

МДП-конденсатор может служить элементом, запоминающим на некоторое время информацию, соответствующую заряду в по­тенциальной яме.

Основные режимы работы ПЗС – хранение информации в виде заряда в одном или нескольких конденсаторах и перенос заряда из одного конденсатора в следующий вдоль цепочки. В цифровых уст­ройствах наличие заряда означает лог. 1, а отсутствие заряда – лог. 0. В аналоговых устройствах количество заряда будет повторять за­кон изменения сигнала. Таким образом, электрический сигнал в ПЗС представлен не током или напряжением, как в интегральных схемах на транзисторах, а зарядовым пакетом.

Для неоднократного переноса заряда в нужном направлении каждый электрод (затвор) подключен к одной из тактовых шин (фаз)Ф₁, Ф₂, Ф₃. Трехфазный ПЗС изображен на рис. 12.8. Один элемент ПЗС состоит из трех ячеек МДП-конденсаторов. К этим шинам подается необходимая последовательность тактовых им­пульсов с разной амплитудой (рис. 12.9), которая переносит заря­довый пакет вдоль поверхности. В течение интервала времени ti на электроды фазы Ф₁ подают положительное напряжение . Под этими электродами создаются глубокие потенциальные ямы для электронов. Будем считать, что слева от первого электрода на­ходится элемент ввода заряда информации. Этот заряд переходит под электрод 1 в более глубокую потенциальную яму. Режим, при котором электроны «перетекают» из одних потенциальных ям в другие, более глубокие, называют режимом записи. Таким образом, интервал соответствует режиму записи в электроде 1 (). В интервале временинапряжение на электроде 1 U" < , поэтому зарядовый пакет не может переходить под электрод 2, напряжение которогоU_Ф2 = U' < U". Наступает режим хранения «записанного» в интервале зарядового пакета (). В интервале времениU_Ф1 = U", a U_Ф2 = ,U_Ф3 = U'.

Так как теперь U_Ф2 > U_Ф1, то зарядовый пакет переходит в бо­лее глубокую потенциальную яму электрода 2 (режим записи для электрода 2): . В интервале времениU_Ф1 = U’, U_Ф2= U", a U_Ф3 = U', так что наступает режим хранения для электрода 2. Ана­логично в интервале будет режим записи, а в интервале– ре­жим хранения для электрода 3. Таким образом, за шесть интервалов произойдет перенос зарядового пакета из-под электрода 1 под электрод 3. Далее при наличии тактовых импульсов процесс будет повторяться и зарядовый пакет будет последовательно переме­щаться по «линейке» электродов (регистру).

Рассмотренная ступенчатая форма управляющих импульсов напряжения для трехфазного ПЗС (см. рис. 12.9) является идеаль­ной. Однако их формирование требует сложных генераторов. Поэ­тому для управления используются перекрывающиеся импульсы трапецеидальной формы с плавным фронтом и срезом. При этом передача (перенос) зарядового пакета происходит на срезе им­пульса, длительность которого должна в 2...3 раза превышать вре­мя хранения. Тогда «последние» носители зарядового пакета успе­вают перейти в соседнюю потенциальную яму, что повышает эф­фективность переноса заряда в ПЗС.

Устройство ввода и вывода зарядовых пакетов – это обязатель­ные структурные элементы ПЗС, которые позволяют преобразовать входной сигнал (уровни напряжения) в сигнальные зарядовые паке­ты, а на выходе осуществляют обратное преобразование. Один из способов ввода и вывода неравновесного заряда – использование р-n⁺-переходов. Рассмотрим устройство ввода электрического сиг­нала (см. рис. 12.8). Область типа п⁺ образует с р-подложкой n⁺-р-переход (входной диод). Область n⁺ имеет омический контакт Д_вх , Ф_вх – входной затвор. Для ввода сигнала на Д_вх подается напря­жение отрицательной полярности, включающее входной диод в пря­мом направлении, а к Ф_вх прикладывается управляющее положи­тельное напряжение сигнала. Электроны инжектируются на n⁺-области под входной затвор, а затем переносятся под первый затвор 1. Величина зарядового пакета увеличивается с ростом амплитуды входного сигнала в соответствии с ВАХ р-n-перехода по экспоненциальному закону и зависит также от продолжительности инжекции, определяемой длительностью управляющих импульсов. Достоинст­во этого способа ввода сигнала – высокое быстродействие, так как время инжекции составляет несколько наносекунд.

Для вывода зарядового пакета на выходе (см. рис. 12.8) имеет­ся область п⁺, омический контактных к этой области и управляю­щий выходной затвор Ф_вых. Область п⁺ образует с подложкой вы­ходной диод, который включают в обратном направлении. Для это­го на выходной контакт Д_вых через резистор подают постоянное по­ложительное напряжение, превышающее максимальное напряже­ние на Ф_вых. К выходному выводу для регистрации сигнала подключают чувствительный усилитель на МДП-транзисторах, который создается на той же подложке.

Параметры ПЗС. К основным параметрам ПЗС относятся: рабо­чая амплитуда управляющих напряжений; максимальная величина зарядового пакета; предельные (максимальная и минимальная) так­товые частоты; эффективность переноса зарядового пакета; рассе­иваемая мощность.

Рабочая амплитуда управляющих напряжений должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить необходимую величину зарядового пакета и взаимодействие потенциальных ям соседних элементов. Чем меньше расстояние между затворами и больше емкость диэлектрика, тем ниже требуемая амплитуда управляю­щих напряжений, типовые значения которых 10...20 В. Макси­мальная величина зарядового пакета пропорциональна амплиту­де управляющего напряжения и площади затвора. Минимальная тактовая частота f_{Т min} обратно пропорциональна максимально до­пустимому времени хранения зарядового пакета в одном элемен­те. Хранение заряда в ПЗС ограничено термогенерацией пар но­сителей, которая создает паразитный заряд в потенциальных ямах. Если на затворы ПЗС подается периодическая последова­тельность тактовых импульсов с частотой f_Т, то на выходе канала переноса в каждом такте имеется паразитный заряд. В зависимо­сти от температуры и свойств материала заметное накопление паразитного заряда происходит за время от сотых долей до еди­ниц секунд. Для нормальной работы паразитный заряд должен со­ставлять незначительную (заданную) часть максимального заря­дового пакета. Чем выше тактовая частота, тем меньше доля па­разитного сигнала в пакете.

Для увеличения допустимого времени хранения зарядового па­кета и соответственно уменьшения f_{Т min} снижают концентрацию центров генерации – рекомбинации (ловушек), температуру и др. Типовые значения f_{Т min} = 30...300 Гц. Максимальная тактовая часто­ты f_{Т max} определяется временем перетекания заряда из одной по­тенциальной ямы в другую и связана с понятием эффективности пе­реноса. При высокой тактовой частоте, когда время, отведенное на перенос, невелико, часть носителей заряда не успевает в процессе переноса перейти от одного электрода к другому. Время переноса определяется путем рассмотрения процессов диффузии и дрейфа, вызванного продольным электрическим полем. Отношение количе­ства заряда, перенесенного под другой электрод Q_пер, ко всему за­ряду, первоначально хранившемуся под предыдущим электродом Q_хр, называется эффективностью переноса = Q_пер/ Q_хр. Так как требования к эффективности переноса очень высоки, то остающая­ся часть заряда должна быть очень малой (например, при каждом переносе 10^-3..10^-4). Эффективность переноса может быть достиг­нута более 99,99 % для тактовых частот в несколько десятков мега­герц. По мере роста тактовой частоты для увеличения эффективно­сти переноса требуется увеличивать поле, а это достигается умень­шением ширины электродов.

Следует отметить, что эффективность переноса снижается из-за влияния захвата сигнальных носителей на поверхностных состояниях (ловушках), которые происходят за очень малое вре­мя. Чтобы ослабить влияние поверхности, потенциальные ямы создаются в объеме полупроводника под поверхностью кристал­ла на глубине около 1 мкм. Потери уменьшаются вследствие того, что поверхностные ловушки в этом случае не могут захватить носители заряда. В случае объемных каналов тактовые частоты мо­гут достигать 100 МГц. Кроме того, снижение потерь может быть постигнуто уменьшением ширины электродов, так как это приве­дет к сокращению времени переноса заряда из одной потенциаль­ной ямы в другую. При заданном допустимом уменьшении зарядо­вого пакета эффективность переноса заряда определяет макси­мальное число элементов, через которые может быть передан за­рядовый пакет.

Рассеиваемая мощность элементов ПЗС очень мала (менее 1 мкВт), что является одним из достоинств ПЗС. В стадии хранения через прибор текут очень малые токи термогенерации и мощность практически не потребляется. В режиме переноса зарядового паке­та идет затрата энергии, необходимой для совершения работы, равной произведению полного заряда пакета на разность потенци­алов между электродами (ячейками). Наибольшая мощность по­требляется при максимальной частоте. Следует отметить, что пра­ктически мощность, потребляемая ПЗС, приходится в основном на внешнее формирование тактирующих импульсов.

Так как значение эффективности переноса обычно очень близ­ко к 1, то удобнее пользоваться коэффициентом потерь (неэффек­тивность переноса) n = 1 – . Для сложных ПЗС с большим числом переносов п = 10 ^-3...10 ^-5.

Применение приборов с зарядовой связью. ПЗС состоит из множества технологически объединенных МДП-структур, располо­женных на малом расстоянии друг от друга. Количество МДП-стру­ктур может достигать нескольких тысяч, и поэтому ПЗС может рас­сматриваться как большая интегральная схема (БИС).

Важнейшая функция ПЗС – задержка входного импульса на то­чно заданное время. С помощью ПЗС осуществляется длительное хранение информации, что используется в запоминающих устрой­ствах (ЗУ). Для этого можно прервать последовательность управ­ляющих (тактовых) импульсов после того, как пакеты инжектиро­ванных носителей расположились в соответствующих ячейках МДП. В период считывания снова подают тактовые импульсы, и за­писанная информация последовательно поступает на вход. ЗУ на ПЗС используются в цифровой технике и обладают большой емко­стью (8...16 кбит). Непрерывное циркулирование информации осу­ществляется в ЗУ на ПЗС с регенерацией. При обращении к запо­минающему устройству производится выборка записанной инфор­мации с регенерацией или без нее (т.е. с неразрушающим считыва­нием или с разрушением записанной информации). ПЗС находят широкое применение в телевидении, где они используются как фо­тоэлектрические преобразователи изображения.

Зарядовый пакет носителей можно создавать не только с помо­щью инжекции, как описано ранее, но и с помощью локального осве­щения поверхности. При этом под соответствующим затвором образуется заряд, пропорциональный освещенности. Если освещен­ность на разных участках различна, то совокупность зарядов под за­творами характеризует изображение, спроецированное на ПЗС. По­давая управляющее трехтактное напряжение, получаем на выходе ПЗС последовательность импульсов, амплитуды которых пропорци­ональны освещенности разных участков. Использование таких фор­мирователей сигналов изображения позволяет создавать миниа­тюрные передающие полупроводниковые телевизионные камеры с малым потреблением энергии и достигающие обычного телевизион­ного стандарта по разрешающей способности, в том числе и для цветного телевидения. Присущее ПЗС перемещение зарядовых па­кетов позволяет избавиться от громоздких и ненадежных передаю­щих электронно-лучевых трубок со сканированием электронным лу­чом. ПЗС является уникальным аналогом электронно-лучевых тру­бок, позволяющим одновременно с уменьшением массы, габарит­ных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и ка­чество формирования видеосигналов. Дополнительное достоинст­во состоит в возможности использования разнообразных полупро­водниковых материалов, что позволяет перекрыть широкую область электромагнитного спектра, включая инфракрасную область.

В настоящее время созданы приборы более совершенные по сравнению с ПЗС, имеющими трехтактное питание затворов. К ним относятся ПЗС со скрытым каналом и двухфазным управлением, а также ПЗС на МНОП-структурах и структурах с плавающим затво­ром. В этих типах приборов удается упростить технологию изготов­ления, сократить расстояние между затворами, устранить пересе­чение линий металлизации для соединения затворов и т.п. Время хранения записанной информации в этих структурах доходит до нескольких десятков тысяч часов.

Таким образом, ПЗС являются весьма универсальными структу­рами. На ПЗС разработаны интегральные ЗУ с большой емкостью памяти, управляемые линии задержки, согласованные и полосовые фильтры, позволяющие обрабатывать сигналы длительностью в сотни миллисекунд, твердотельные преобразователи телевизион­ного оптического сигнала в электрический, а также цифровые уст­ройства на их основе. ПЗС характеризуются конструктивной и техно­логической простотой, малыми размерами, высокой надежностью, высокой чувствительностью, возможностью работы в спектрах ви­димых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Этим объясняет­ся их широкое применение в телевидении, радиолокации, системах связи. В настоящее время сформирована также микросхемотехника ПЗС, которая включает в себя принцип построения схем на ПЗС для суммирования, вычитания, умножения, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей сигналов. На базе этих схем могут быть построены устройства сложной обработки сигналов, представленных в зарядовой форме.