Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ (ПЗС) - интегральная схема, представляющая собой совокупность МДП-структур, сформированных на общей полупроводниковой подложке т. о., что полоски электродов образуют линейную или матричную регулярную структуру. Расстояния между соседними электродами столь малы, что существенным становится их взаимовлияние вследствие перекрытия областей пространственного заряда вблизи краёв соседних электродов (рис. 1).

Рис. 1. Структура прибора с зарядовой связью (фрагмент): 1- кристалл кремния; 2 - вход - выход; з- металлические электроды; 4- диэлектрик.

Изобретён У. Бойлом (W. Boyle) и Дж. Смитом (G. Smith) в 1969. В ПЗС осуществляется направленная передача зарядов от электрода к электроду путём манипуляции электрич. напряжениями на этих электродах. Заряды в ПЗС вводятся электрич. (инжекцией) или фотоэлектрич. способами. Осн. функциональные назначения фото-чувствит. ПЗС - преобразование оптич. изображений в последовательность электрич. импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации. Используются термины "прибор с переносом заряда" (ППЗ) и "фоточувствит. прибор с зарядовой связью" (ФПЗС). ПЗС изготовляют на основе монокристаллич. кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термич. окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрич. плёнка диоксида кремния . Этот процесс осуществляется т. о., чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник - диэлектрик и мин. концентрацию рекомбинац. центров на границе. Электроды отд. МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП-элементов 500-2000 в линейном и в матричном ПЗС; площадь пластины Под крайними электродами каждой строки изготовляют p- n - переходы, предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом (инжекция p- n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегиров. поликристаллич. кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-облас-тях спектра.

Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рис. 2. В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к

электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения U_xp, оттесняющее осн. носители - дырки в случае кремния р-типа - в глубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенц. ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенц. ямы, локализуются в тонком (0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4,7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.

Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела (темновой ток) эти заряды будут накапливаться в потенц. ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и т. д. прикладывается т. н. напряжение считывания, более высокое, чем напряжение хранения . Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. ямы, чем под электронами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5,7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенц. ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до а с электродов 1, 4, 7 снимается.

Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам или поддерживается небольшое напряжение смещения (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней реком-бинац. эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний r- h-переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данногв пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, к-рый после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрич. импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение. При небольшом числе переносов увеличиваются ре-комбинац. потери, происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему и усиливаются обусловленные этим искажением информации. Чтобы избежать искажений накопленного видеосигнала из-за продолжающегося во время переноса освещения, на кристалле ФПЗС создают пространственно разделённые области восприятия - накопления и хранения - считывания, причём в первых обеспечивают макс. фоточувствительность, а вторые, наоборот, экранируют от света. В линейном ФПЗС (рис. 3, а) заряды, накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из чётных элементов) и в регистр 3 (из нечётных). В то время, как по этим регистрам информация передаётся через выход 4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр. В ФПЗС с кадровым переносом (рис. 3, б )информация, воспринятая матрицей накопления 7, быстро "сбрасывается" в матрицу хранения 2, из к-рой последовательно считывается ПЗС-регистром 3; в это же время матрица 1 накапливает новый кадр.

Осн. параметры ПЗС: амплитуды управляющих импульсов 5-20 В), относит. потери заряда при одном переносе макс. тактовая частота (= 10-100 МГц), макс. и мин. плотности зарядового пакета (50

ди-намич. диапазон (D =20 lg 60-80 дБ), плотность темнового тока Для характеристики ФПЗС кроме перечисленных выше параметров указываются спектральный диапазон (Dl = 0,4-1,1 мкм), фоточувствительность (= 0,1-0,5 А/Вт), макс. и мин. экспозиции

разрешающая способность (r= 10-50 линий/мм). Кроме ПЗС простейшей структуры (рис. 1) получили распространение и др. их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами (рис. 4, а), в к-рых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами, и приборы с асимметрией приповерхностных свойств (напр., слоем диэлектрика перем. толщины - рис. 4, б), работающие в двухтакто-вом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объёмным каналом (рис. 4, в), образованным диффузией примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объёме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинац. центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значения и уменьшение e по сравнению со всеми разновидностями ПЗС с поверхностным каналом.

Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптич. потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС - кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.

Для восприятия изображений в ИК-области спектра развиваются три направления: легирование кремния примесями (In, Ga, Те и др.) и использование примесного фотоэффекта; разработка ФПЗС на узкозонных полупроводниковых соединениях (напр., на In, Sb для диапазона Dl = 3-5 мкм); создание гибридных структур, сочетающих фоточувствит. мишень, напр. на кристалле HgCdTe, и кремниевые ПЗС-регистры, обеспечивающие считывание информации, накапливаемой в мишени.

Осн. отличит, особенностью ПЗС как изделия микроэлектроники является возможность вводить в кристалл и хранить без искажения большие массивы цифровой (в т. ч. многоуровневой) или аналоговой информации, использовать электрич. и оптич. способы для ввода информации, осуществлять направленное распространение (в т. ч. циркуляцию) информации в кристалле и неразрушающий доступ к ней, проводить как последовательный, так и параллельный принцип обработки информации. От вакуумных приёмников изображений ( видиконов )ФПЗС, кроме того, отличается жёстким геом. растром, позволяющим фиксировать координаты элементов разложения и исключить дисторсию и др. искажения растра, долговечностью, меньшей потребляемой мощностью, отсутствием микрофонного эффекта и выгорания под действием сильной засветки, нечувствительностью к магн. и электрич. полям.

Осн. применение ПЗС находят в качестве безвакуумного твердотельного аналога видикона для восприятия и обработки видеоинформации в телевидении, устройствах техн. зрения, видеокамерах, электронных фотоаппаратах. Значительно меньше ПЗС используют в цифровой технике в качестве запоминающих устройств, регистров, арифметико-логич. устройств (см. Логические схемы, Памяти устройства )и в аналоговой технике в качестве линий задержки, фильтров и т. п.

Лит.: Секен К., Томсет М., Приборы с переносом заряда, пер. с англ., М., 1978; Носов Ю. Р., Шилин В. А., Основы физики приборов с зарядовой связью, М., 1986; Пресс Ф. П., Фоточувствительные микросхемы с зарядовой связью, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Электроника, т. 18, М., 1986. Ю. Р. Носов.