Фоточутливі прилади з зарядовим зв'язком

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний Університет «Львівська політехніка»

Кафедра Фотоніки

Реферат

На тему : «Фоточутливі прилади з зарядовим зв'язком»

Львів - 2014

Зміст

Вступ

Визначення

Функціональні характеристики

Виготовлення і матеріали

Принцип дії

Основні параметри

Різновиди

Застосування

Преваги

Список використаної літератури

Вступ

Фоточутливі прилади із зарядним зв'язком ( ФПЗЗ ) відносяться до тих виробів, значимість яких безупинно зростає і, без сумніву, буде зростати надалі незалежно від появи нових різновидів інтегральних схем. Стійкість положення ПЗЗ в загальній ієрархії мікроелектронних приладів можна пояснити плідністю, " життєздатністю " основоположною ідейної концепції ПЗЗ, в тому, що в цих приладах інформація представляється у вигляді зарядових пакетів, які формуються в приповерхневої області кристалу, керовано переміщуються і потрібним чином перетворюються ( діляться, зливаються, нормуються та інше). Звідси випливає функціональна ширина ПЗЗ, яка проявляється у здатності оперувати (зберігання, обробка) аналоговими і цифровими величинами, а також у можливості паралельного введення великих масивів інформації, у тому числі відповідних двовимірним зображенням.

Прилад із зарядовим зв'язком (ПЗЗ) - інтегральна схема, що представляє собою сукупність МДН-структур, сформованих на загальній напівпровідникової підкладці, це означає що смужки електродів утворюють лінійну або матричну регулярну структуру. Відстані між сусідніми електродами настільки малі, що істотним стає їх взаємовплив внаслідок перекриття областей просторового заряду поблизу країв сусідніх електродів (рис. 1).

Рис. 1. Структура приладу з зарядовим зв'язком (фрагмент): 1 - кристал кремнію; 2 - вхід - вихід; з - металеві електроди; 4 - діелектрик.

Винайдено У. Бойлом ( W. Boyle ) і Дж. Смітом ( G. Smith ) в 1969.

В ПЗЗ здійснюється спрямована передача зарядів від електрода до електрода шляхом маніпуляції електричним навантаженням на цих електродах. Заряди в ПЗЗ вводяться електричним ( інжекцією ) або фотоелектричним способами.

Основні функціональні характеристики фоточутливих ПЗЗ:

- перетворення оптичних зображень в послідовність електричних імпульсів (формування відеосигналу )

- зберігання і обробка цифрової і аналогової інформації.

Використовуються терміни "прилад з перенесенням заряду" ( ППЗ ) і " фоточутливий прилад із зарядним зв'язком " ( ФПЗЗ ).

Виготовлення і матеріали

ПЗЗ виготовляють на основі монокристалу кремнію. Для цього на поверхні кремнієвої пластини методом термічного окислення створюється тонка ( 0,1-0,15 мкм) діелектрична плівка діоксиду кремнію

Цей процес здійснюється, Щоб забезпечити досконалість межі розділу напівпровідник - діелектрик і мінімальну концентрацію рекомбінації центрів на цій межі. Електроди окремих МДН - елементів виробляються з алюмінію, їх довжина становить 3-7 мкм, проміжок між електродами 0,2-3 мкм. Типове число МДН - елементів 500-2000 в лінійному і в матричному ПЗЗ ; площа пластини Під крайніми електродами кожного рядка виготовляють p - n - переходи, призначені для введення - виведення порції зарядів ( зарядових пакетів ) електричним способом ( інжекція p - n - переходом ). При фотоелектричному введенні зарядових пакетів ПЗЗ висвітлюють з фронтальним або тильного боку. При фронтальному освітленні щоб уникнути заступаючій дії електродів алюміній зазвичай заміняють плівками сильнолегованим полікристалічним кремнієм (полікремнію ), прозорого у видимій та ближній ІЧ- областях спектра.

Принцип дії ПЗЗ на прикладі фрагмента рядка ФПЗЗ, керованої трьохтактовою ( трифазною ) схемою, ілюструється на рис. 2.

Протягом такту I (сприйняття, накопичення і зберігання відеоінформації ) доелектродів 1, 4, 7 прикладається напруга зберігання Uзб, відтісняє основні носії - дірки, у разі, коли кремній р- типу - в глибину напівпровідника і утворить збіднені шари глибиною 0,5-2 мкм - потенціальної ями для електронів. Освітлення поверхні ФПЗЗ породжує в площині кремнію надлишкові електронно- діркові пари, при цьому електрони стягуються в потенціальні ями, локалізуються в тонкому ( 01 мкм) приповерхневому шарі під електродами 1, 4, 7, утворюючи сигнальні зарядові пакети.

Величина заряду в кожному пакеті пропорційна експозиції поверхні поблизу даного електроду. У добре сформованих МДН - структурах утворюються заряди поблизу електродів, можуть відносно довго зберігатися, проте, поступово внаслідок генерації носіїв заряду домішковими центрами, дефектами в обсязі або на межі розділу ( темновий струм) ці заряди накопичуватимуться в потенц. ямах, поки не перевищать сигнальні заряди і навіть повністю заповнять ями.

Під час такту II (перенесення зарядів) до електродів 2, 5, 8 і т. д. прикладається т. н. напруга зчитування, более високе, ніж напруга зберігання . Тому під електродами 2, 5 і 8 виникають більш глибокі потенц. ями, ніж під електронами 1, 4 і 7, і внаслідок близькості електродів 1 і 2, 4 і 5, 7 і 8 бар'єри між ними зникають і електрони перетікають в сусідні, більш глибокі потенц. ями.

Під час такту III напруга на електродах 2, 5, 8 знижується до а з електродів 1, 4, 7 знімається. Здійснюється перенесення всіх зарядових пакетів вздовж рядка ПЗЗ вправо на один крок, що дорівнює відстані між сусідніми електродами.

У всі час роботи на електродах, безпосередньо не підключених до потенціалу або підтримується невелика напруга зміщення (1-3 В), що забезпечує збіднення носіями заряду всієї поверхні напівпровідника і ослаблення на ній рекомбінаційних ефектів.

Повторюючи процес комутації напруг багаторазово, виводять через крайній r - h - перехід послідовно всі зарядові пакети, порушені, напр., світлом в рядку. При цьому у вихідному ланцюзі виникають імпульси напруги, пропорційні величині заряду даного пакета. Картина освітленості трансформується в поверхневий зарядовий рельєф, який після просування уздовж всього рядка перетвориться в послідовність електричних імпульсів. Чим більше число елементів в рядку або матриці (число елементів розкладання ), тим точніше сприймається зображення. При невеликому числі переносів збільшуються рекомбінаційні втрати, відбувається неповна передача зарядового пакету від одного електрода до сусіднього і посилюються обумовлені цим спотворенням інформації. Щоб уникнути спотворень накопиченого відеосигналу через триваюче під час перенесення освітлення, на кристалі ФПЗЗ створюють просторово розділені області: сприйняття - накопичення та зберігання - зчитування, причому в першій забезпечують макс. фоточутливість, а другу, навпаки, екранують від світла. У лінійному ФПЗЗ (рис. 3, а ) заряди, накопичені в рядку 1 за один цикл, передаються в регістр 2 ( з парних елементів) і в регістр 3 ( з непарних ). У той час, як по цих регістрів інформація передається через вихід 4 в схему об'єднання сигналів 5, в рядку 1 накопичується новий відеокадр.

У ФПЗЗ з кадровим перенесенням (рис. 3, б) інформація, сприйнята матрицею накопичення 7, швидко " скидається " в матрицю зберігання 2, з якої послідовно зчитується ПЗЗ- регістром 3 ; у той же час матриця 1 накопичує новий кадр.

Основні параметри ПЗЗ :

- амплітуда керуючих імпульсів 5 - 20 В), відносить. втрати заряду при одному перенесення

- макс. тактова частота (= 10-100 МГц),

- макс. і мін. щільності зарядового пакета (50 мін

- динамічний діапазон ( D = 20 lg 60-80 дБ),

- щільність темнового струму

Для характеристики ФПЗЗ крім перерахованих вище параметрів вказуються - спектральний діапазон ( Dl = 0,4-1,1 мкм ),

- фоточутливість (= 0,1-0,5 А / Вт ),

- макс. і мін. експозіціі

- роздільна здатність ( r = 10-50 ліній / мм).

Крім ПЗЗ найпростішої структури (рис. 1 ) набули поширення і інші їх різновиди :

- Зокрема прилади з полікремнієвими перекриваючими електродами (рис. 4, а ), в яких забезпечуються активне фотовплив на всю поверхню напівпровідника і малий проміжок між електродами.

- Прилади з асиметрією приповерхневих властивостей (напр., шаром діелектрика товщини, що змінюється - рис. 4, б), що працюють в двохтактовому режимі.

- Принципово відмінна структура ПЗЗ з об'ємним каналом ( рис. 4, в), утвореним дифузією домішок. Накопичення, зберігання, перенесення заряду відбуваються в об'ємі напівпровідника, де менше, ніж на поверхні, рекомбінації. центрів і вище рухливість носіїв. Наслідком цього є збільшення на порядок значення і зменшення e порівняно з усіма різновидами ПЗЗ з поверхневим каналом.

Для сприйняття кольорових зображень використовують один із двох способів :

- поділ оптич. потоку за допомогою призми на червоний, зелений, синій, сприйняття кожного з них спеціальним ФПЗЗ - кристалом, змішання імпульсів від всіх трьох кристалів у єдиний відеосигнал ;

- створення на поверхні ФПЗЗ плівкового штрихового або музичного кодує світлофільтру, що утворює растр з різнокольорових тріад.

Для сприйняття зображень в ІК - області спектра розвиваються три напрямки :

- легування кремнію домішками ( In, Ga, Ті тощо) і використання місцевого фотоефекту ;

- розробка ФПЗЗ на вузькозонних напівпровідникових з'єднаннях (напр., на In, Sb для діапазону Dl = 3-5 мкм);

- створення гібридних структур, що поєднують фоточувствіт. мішень, напр. на кристалі HgCdTe, і кремнієві ПЗЗ- регістри, що забезпечують зчитування інформації, що накопичується в мішені.

Основною вирізняючою, особливістю ПЗЗ як вироби мікроелектроніки є :

- можливість вводити в кристал і зберігати без спотворення великі масиви цифрової ( в т. ч. багаторівневої ) або аналогової інформації,

- використовувати електричні і оптичні способи для введення інформації

- здійснювати спрямоване розповсюдження (у т. ч. циркуляцію ) інформації в кристалі і забеспечувати неруйнівний доступ до неї,

- проводити як послідовний, так і паралельний принцип обробки інформації.

Від вакуумних приймачів зображень (відіконов) ФПЗЗ, крім того, відрізняється :

- жорстким геометричним растром, що дозволяє фіксувати координати елементів розкладання і виключити дисторсію та інші спотворення растра ;

- довговічністю ;

- меншою споживаної потужністю ;

- відсутністю мікрофонного ефекту і вигорання під дією сильної засвічення ;

- нечутливістю до магнітних і електричних полів.

Основне застосування ПЗЗ

фоточутливий прилад зарядовий зв'язок

Основною областю застосування ПЗЗ є відеотехніка. У побутовій апаратурі твердотільні ПЗЗ- фотоприймачі забезпечили мініатюризацію відео- та телекамер.

Також в якості безвакуумного твердотільного аналога відікона для сприйняття і обробки відеоінформації в телебаченні, пристроях техн. зору, відеокамерах, електронних фотоапаратах. Значно менше ПЗЗ використовують в цифровій техніці в якості запам'ятовуючих пристроїв, регістрів, арифметично- логічний. пристроїв і в аналоговій техніці як ліній затримки, фільтрів і т. п. В даний час практично весь ринок відеоапаратури, як побутовий, так і професійної та спеціальної теле- і відеотехніки, побудований на основі лінійних і матричних фоточутливих приладів із зарядовим зв'язком.

Переваги :

- надійність ;

- невелике споживання,

- маса і габарити (в порівнянні з вакуумними передавальними трубками)

Список використаної літератури

1) Секен К., Томсет М., Прилади з перенесенням заряду, переклад з англ., М., 1978; Носов Ю. Р., Шилін В. А.,

2) Основи фізики приладів із зарядним зв'язком, М., 1986; Прес Ф. П.,

3) Фоточутливі мікросхеми із зарядним зв'язком, в кн.: Підсумки науки і техніки. Сер. Електроніка, т. 18, М., 1986. Ю. Р. Носов.

Доповнення

Характеристики матричных ФПЗЗ

Размещено на Allbest.ru