 |
Сдвиговые регистры и линии задержки на основе ПЗС
|
|
|
|
Принцип работы ПЗС
Приборы с зарядовой связью (ПЗС или CCD) представляют собой совокупность МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник). Типичный ПЗС создается следующим образом. На полупроводниковой подложке (например, р-типа проводимости) формируется тонкий (0.1-0.15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов (из металла или поликристаллического кремния). Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами столь малы, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений.
Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение, то в МДП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо (например тепловых) процессов или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела полупроводник - диэлектрик и локализоваться в узком (приблизительно 0.1 мкм) инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.
|
|
|
Через некоторое время (1-100 с) после приложения напряжения МДП-структура переходит в состояние термодинамического равновесия, характеризующегося образованием стационарного инверсного слоя, концентрация носителей в котором постоянна во времени. В ПЗС используется нестационарное состояние МДП-структуры. Так как скорость термогенерации носителей мала, то потенциальную яму МДП-структуры можно использовать для временного хранения сигнальных зарядовых пакетов. Максимальное время хранения в основном ограничено процессами термогенерации электронно- дырочных пар на поверхности и обедненном слое. Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает сигнальный, соответствующий хранению цифровой или аналоговой информации. Максимальное время хранения определяется как свойствами полупроводника, так и допустимой степенью искажений и составляет в реальных устройствах (без принудительного охлаждения) единицы или десятки миллисекунд.
ПЗС представляет собой совокупность МДП-структур, сформированных на подложке таким образом, что они оказывают взаимное влияние друг на друга вследствие взаимодействия приложенных внешних электрических полей. Взаимодействие соседних потенциальных ям возникает либо благодаря малому (0.1-1 мкм) расстоянию между соседними электродами, либо при создании специальных легированных областей, сформированных в полупроводнике и электрически связывающих соседние потенциальные ямы. Благодаря взаимодействию соседних потенциальных ям можно осуществлять направленную передачу зарядов. Процессом такой передачи управляют специальные периодические последовательности электрических импульсов, подаваемые на электроды.
|
|
|
Поперечное сечение типичного трехфазного ПЗС показано на рис. 1. Это устройство представляет собой полупроводниковую подложку, покрытую однородным слоем изолятора (окисла), на котором достаточно близко друг к другу расположены затворы — электроды переноса. Режим храненмя информации, когда сигнальный зарядовый пакет находится под средним электродом, напряжение на котором выше, чем на соседних. Процесс переноса сигнального заряда начинается в тот момент, когда на правый затвор подается импульс более высокого напряжения (рис. 1). Основными типами приборов с зарядовой связью являются ПЗС с поверхностным каналом и ПЗС со скрытым каналом. В ПЗС с поверхностным каналом заряды хранятся и переносятся у границы раздела полупроводник — диэлектрик. В ПЗС со скрытым каналом благодаря специальному легированию подложки эти процессы происходят в толще полупроводника на некотором удалении от границы с диэлектриком. Отметим также, что при конструировании конкретных микроэлектронных устройств на ПЗС (в зависимости от их назначения) применяются различные схемы организации тактового питания и взаимного расположения затворов.
Рис1. Поперечное сечение трехфазного ПЗС в момент переноса заряда.
Трехфазный n-канальный ПЗС в более подробном виде (вместе с входным и выходным устройствами) показан на рис. 2. Собственно ПЗС, или ПЗС-регистр, здесь составляют три пары электродов переноса (затворов), подсоединенные к шинам тактового питания j1, j2 и j3. Входное устройство, состоящее из входного диода и входного затвора, обеспечивает ввод сигнальных зарядовых пакетов под первый электрод переноса регистра. Экстракция и детектирование зарядовых пакетов обеспечиваются выходными затвором и диодом. Временные диаграммы напряжения на шинах тактового питания, а также входной и выходной сигналы приведены на рис. 4. Расположение потенциальных ям и распределение сигнального заряда в регистре представлены на рис. 3.
Рис. 2. n-канальный прибор с зарядовой связью
Рис.3. Распределения заряда и потенциалаь вдоль ПЗС.
В начальный момент времени t = t1 на тактовую шину j1 подано высокое напряжение, а на шины j2 и j3 — низкое. Следовательно, потенциальные ямы под затворами фазы j1 глубже потенциальных ям под остальными электродами переноса. Входной (ID) и выходной (OD) диоды заперты большим положительным напряжением, что исключает инжекцию электронов в канал под входным (IG) и выходным (OG) затворами, а следовательно, и под электроды переноса ПЗС-регистра. Иными словами, все потенциальные ямы в регистре при t = t1 пустые. В момент t2 напряжение на входном диоде уменьшается, последний приоткрывается и инжектирует электроны через входной затвор в потенциальную яму под первым затвором фазы j1.
|
|
|
Рис. 4. Диграмма тактовых импульсов и выходной сигнал в ПЗС. 
В конце инжекционного процесса поверхностные потенциалы под первым электродом фазы j1 и входным затвором равны потенциалу на входном диоде. При t = t3 входной диод снова запирается высоким напряжением, а избыточный заряд из-под первого электрода фазы j1 через входной затвор стекает обратно в диод. В результате под первым затвором фазы j1 остается вполне определенное количество электронов — сигнальный заряд, величина которого определяется разностью потенциалов фазы j1 и входного затвора. В момен t4 напряжение на фазе j2 становится высоким, а на фазе j1 оно начинает уменьшаться. При этом сигнальный заряд из-под затвора j1 перетекает под первый затвор фазы j2, где поверхностный потенциал превышает потенциал фазы j1. Этот процесс называется переносом. Отметим, что с учетом конечности времени, которое требуется для перетекания заряда из-под одного затвора переноса под другой, задний фронт тактовых импульсов специально делают достаточно пологим. В конце процесса переноса в момент времени t5 весь сигнальный заряд хранится уже под первым электродом фазы j2. Через соответствующее число таких циклов переноса (в момент t6) сигнальный заряд оказывается под последним затвором фазы j3, и, после того как в момент t7, напряжение на этой фазе начинает уменьшаться, сигнальный заряд через выходной затвор «выталкивается» в выходной диод. При этом выходное устройство вырабатывает токовый или потенциальный выходной сигнал, пропорциональный величине зарядового пакета (рис. 4).
|
|
|
Описанный выше способ ввода сигнального заряда используется в аналоговых и запоминающих устройствах на ПЗС. В системах регистрации оптического изображения зарядовые пакеты формируются в результате генерации электронно-дырочных пар светом, проникающим в полупроводниковую подложку. При этом выходные сигналы оказываются пропорциональными локальной освещенности.
Основным элементом ПЗС (с поверхностным каналом) является МОП-конденсатор, работающий в режиме глубокого обеднения. Его зонная диаграмма для случая, когда сигнальный заряд равен нулю (Qsig = 0), приведена на рис. 5, б. Здесь js0 — поверхностный потенциал, (VG —VFB) — эффективное напряжение на затворе (напряжение, приложенное к металлическому электроду, будем называть затворным напряжением VG), VFB — напряжение плоских зон. Применительно к работе ПЗС минимум электронной потенциальной энергии на границе раздела с окислом называют потенциальной ямой. При Qsig = 0 эта яма пустая. Когда у границы раздела хранится сигнальный зарядовый пакет, поверхностный потенциал уменьшается, что соответствует заполнению потенциальной ямы (рис. 5, б).
Отметим, что в рассматриваемой нестационарной ситуации глубина обеднения W может существенно превышать Wm — максимальную глубину стационарного обедненного слоя. Исключив из уравнений (1) и (2) W, получим (3).
Рис. 5. Зонные диаграммы МОП-структуры с поверхностным каналом.
а — изгиб зон в состоянии глубокого обеднения (пустая яма);
б — изгиб зон на границе раздела Si — SiO2;
в — частично заполненная яма.
Применение ПЗС
Запоминающие устройства, линии задержки, фильтры, устройства для обработки сигналов, логические устройства, приёмники изображения, заменяющих передающие телевизионные трубки.
Широкое распространение находят линейки ПЗС - как для считывания одномерных изображений (например, штрих-коды), так и в системах, где имеется механическая развёртка по одной координате. Простейшие примеры - телефакс и сканер. Менее очевидные применения - системы наблюдения за земной поверхностью с космических аппаратов или самолётов, где используется движение самого аппарата относительно Земли. Как правило, накопительными элементами в ПЗС-линейках служат фотодиоды; по обе стороны от линейки накопительных элементов располагаются регистры считывания (соответственно для чётных и нечётных элементов - билинейная организация). Номенклатура выпускаемых сейчас линеек довольно широка, а число фоточувствительных элементов колеблется от 1024 до 8192.
|
|
|
Разновидностью приборов для систем с механической развёрткой являются приборы ВЗН - с временной задержкой и накоплением. Их организация тождественна односекционным ПЗС с КП, но отличаются они режимом тактировки по вертикали: секция тактируется непрерывно, причём тактовая частота подбирается такой, что скорость перемещения зарядового рельефа равна скорости перемещения изображения; при этом каждый элемент изображения даёт вклад в один и тот же зарядовый пакет, что, очевидно, увеличивает чувствительность ВЗН по сравнению с обычными линейками в число строк раз. Именно ВЗН широко применяются в космической аппаратуре для наблюдения за земной поверхностью. Число строк в таких приборах колеблется от 64 до 256, а число элементов по горизонтали - от 1024 до 4096.
А вообще приёмники изображения - не единственное применение ПЗС. Так, добавив к регистру ПЗС устройство ввода электрического сигнала, мы получим аналоговую линию задержки, причём время задержки определяется как числом элементов регистра, так и тактовой частотой, а значит, может легко изменяться. Далее. В качестве элемента регистрации зарядового пакета можно использовать не только плавающую диффузию, но и плавающий затвор, характеризующийся неразрушающим считыванием, т. е. получить регистр с отводами. Такие регистры являются основой трансверсальных фильтров, широко применявшихся, например, в обработке радиолокационных сигналов.
|
|
|
