Принцип действия приборов с зарядовой связью

Размещено на http://allbest.ru

МДП-структура может работать в трех режимах -- обеднения, обогащения и инверсии проводимости канала. В ПЗС основной рабочий режим МДП-структуры -- это режим обеднения. Выбор режима обеднения обусловлен тем, что носителем информации в ПЗС является «зарядовый пакет» дырок или электронов. Очевидно, что чем меньше концентрация подвижных зарядов в исходном состоянии МДП-структуры, тем выше чувствительность прибора, т. е. тем меньше может быть зарядовый пакет.

С течением времени в обедненной МДП-структуре за счет генерации происходит образование электронно-дырочных пар и возможно создание паразитного для ПЗС инверсионного слоя. Время, необходимое МДП-структуре для перехода из режима обеднения в режим инверсии, называется временем релаксации t_S; его значение оценивается из условия компенсации объемного заряда обедненного слоя ионов примеси подвижными носителями, созданными тепловой генерацией. Например, для ПЗС с каналом n-типа имеем

gt_S=qN_A

где g - скорость тепловой генерации носителей зарядов-электронов; N_A -- концентрация ионов акцепторной примеси. Современная технология изготовления ПЗС позволяет получить времена релаксации, измеряемые минутами. Тем не менее, в принципе ПЗС -- прибор динамического типа, и долговременное хранение информации в нем невозможно. Рассмотрим принцип передачи информации в ПЗС, т. е. передачу зарядового пакета от затвора к затвору.

Пусть полупроводник структуры n-типа и на все затворы подано одинаковое отрицательное напряжение U₁, тогда под всеми затворами образуется ОПЗ шириной l₀ (рис.1, а), этот заряд составляют положительные ионы донорной примеси.

Если отрицательное напряжение на затворе З₂ по абсолютному значению больше, чем на соседних затворах З₁ и З₃ (|U₂| > |U₁|), то под затвором З₂ глубина обедненной области получается больше, чем под затворами З₁ и З₃ (рис. 2, б). Введем под затвор З₂ информационный зарядовый пакет дырок: при заданном соотношении напряжений на затворах дырки не могут преодолеть действующего на границах области под затвором З₂ тормозящего электрического поля. В этом случае зарядовый пакет под затвором З₂ может храниться относительно долго (конечно, много меньше времени релаксации) и говорят при этом, что затвор З₂ работает в режиме хранения информации. Напряжение U₂ называют напряжением хранения.

Если на затвор З₃ подать отрицательное напряжение U₃, а на затвор З₂ осталось напряжение U₂, причем (|U₃|>|U₂|) (рис. 1, в), тогда на границе затворов З₂ и З₃ образуется ускоряющее для дырок электрическое поле и зарядовый пакет переходит от З₂ к З₃. Затвор З₃ работает при этом в режиме считывания информации, а напряжение U₃ называют напряжением считывания.

Суммарный положительный заряд под затвором определяется напряжением на затворе и емкостью МДП-структуры. Поэтому появление зарядового пакета дырок сопровождается уменьшением положительного заряда ионов донорной примеси. При равенстве пространственного заряда доноров заряду пакета дырок электрические поля на границах между затворами исчезают, и дырочный пакет распределяется вдоль всей поверхности структуры, т. е. не может быть носителем информации.

Следовательно, максимально допустимое значение количества заряда в пакете равно:

Qmax=(U₂-U₁)CS

где С -- удельная емкость диэлектрика; S -- площадь затвора. Таким образом, значение заряда в пакете ограничено снизу Qmin и сверху Qmax. В процессе переноса зарядового пакета имеют место потери заряда. Эти потери связаны, во-первых, с тем, что скорости носителей заряда в пакете различны и требуется определенное время для переноса всего заряда, во-вторых, с тем, что часть зарядов оказывается захваченной приповерхностными ловушками. Следовательно, для переноса зарядового пакета без потерь необходимо какое то минимальное время. Это время тем меньше, чем меньше расстояние между затворами, чем выше подвижность носителей и напряжение считывания.

В фото ПЗС зарядовые пакеты формируются под действием фотонов. Чем больше световой поток, тем больше величина зарядового пакета. Далее необходимо передать эти пакеты в соответствующие блоки преобразования, то есть снять информацию.

Для перемещения накопленного заряда от затвора к затвору, как это было описано, достаточно всего трех типов затворов - одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причем одноименные затворы таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 2). Это и есть простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС.

Рис. 2. Регистр сдвига на ПЗС

В фото ПЗС затвор представляет собой длинную полоску. Учитывая, что освещение полупроводника неоднородно в пределах такой полоски, скорость образования электронов под воздействием света будет меняться по длине затвора. Если не принять мер по локализации электронов вблизи области их образования, то в результате диффузии концентрация электронов выровняется, и информация об изменении интенсивности света в продольном направлении будет утеряна. Естественно, можно было бы сделать размер затвора одинаковым как в продольном, так и поперечном направлении, но это потребовало бы изготовления слишком большого числа затворов на ПЗС-матрице. Поэтому для локализации образующихся электронов в продольном направлении используют так называемые стоп-каналы (рис. 4), представляющие собой узкую полоску полупроводника с повышенным содержанием легирующей примеси. Чем больше концентрация примеси, тем больше дырок образуется внутри такого проводника (каждый атом примеси приводит к образованию дырки). Но от концентрации дырок зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обедненная область. Интуитивно понятно, что чем больше концентрация дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь.

Рассмотренная структура ПЗС носит название ПЗС с поверхностным каналом передачи, так как канал, по которому передается накопленный заряд, находится на поверхности полупроводника. Поверхностный способ передачи имеет ряд существенных недостатков, связанных со свойствами границы полупроводника.

Рис. 3. Стоп-каналы в ПЗС- матрице

Дело в том, что ограничение полупроводника в пространстве нарушает идеальную симметрию его кристаллической решетки со всеми вытекающими отсюда последствиями. Подобное ограничение приводит к образованию энергетических ловушек для электронов. В результате накопленные под воздействием света электроны могут захватываться этими ловушками, вместо того чтобы передаваться от одного затвора к другому. Помимо прочего такие ловушки могут непредсказуемо высвобождать электроны, причем не всегда, когда это действительно нужно. Получается, что полупроводник начинает «шуметь» -- иначе говоря, количество накопленных под затвором электронов не будет точно соответствовать интенсивности поглощенного излучения. Избежать подобных явлений можно, но для этого сам канал переноса нужно отодвинуть вглубь проводника. Идея заключается в том, что в поверхностной области полупроводника p-типа создавался тонкий слой полупроводника n-типа, то есть полупроводника, в котором основными носителями заряда являются электроны (рис. 5).

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости приводит к образованию обедненного слоя на границе перехода. Происходит это за счет диффузии дырок и электронов во взаимно противоположных направлениях и их рекомбинации. Подача положительного потенциала на затвор увеличивает размер обедненной области. Характерно, что теперь сама обедненная область, или емкость для фотоэлектронов, находится не на поверхности, а следовательно, отсутствуют и поверхностные ловушки для электронов.

Рис. 5. Образование скрытого канала переноса заряда в ПЗС

Такой канал переноса называется скрытым, и все современные ПЗС изготавливаются именно со скрытым каналом переноса.

Рассмотренные основные принципы функционирования ПЗС используются для построения различных по архитектуре ПЗС-матриц. Конструктивно можно выделить две основные схемы матриц: с покадровым переносом и с межстрочным переносом.

В матрице с покадровым переносом имеются две равнозначные секции с одинаковым числом строк: накопления и хранения. Каждая строка в этих секциях образована тремя затворами (передающий, принимающий и изолирующий). Кроме того, как уже отмечалось выше, все строки разделены множеством стоп-каналов, формирующих ячейки накопления в горизонтальном направлении. Таким образом, наименьший структурный элемент ПЗС-матрицы (пиксел) создается из трех горизонтальных затворов и двух вертикальных стоп-каналов (рис. 6).

Рис. 6. ПЗС-матрица с покадровым переносом

За время экспозиции в секции накопления образуются фотоэлектроны. После этого тактовые импульсы, подаваемые на затворы, переносят накопленные заряды из секции накопления в затененную секцию хранения, то есть фактически происходит передача всего кадра целиком. Поэтому такая архитектура и получила название ПЗС с покадровым переносом. После переноса секция накопления очищается и может повторно накапливать заряды, в то время как из секции памяти заряды поступают в горизонтальный регистр считывания. Структура горизонтального регистра аналогична структуре ПЗС-сенсора -- те же три затвора для переноса заряда. Каждый элемент горизонтального регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за каждый тактовый импульс из секции накопления в регистр считывания поступает вся строка целиком, которая после этого передается в выходной усилитель для дальнейшей обработки.

Рассмотренная схема ПЗС-матрицы имеет одно несомненное достоинство -- высокий коэффициент заполнения. Этим термином принято называть отношение фоточувствительной площади матрицы к ее общей площади. У матриц с покадровым переносом коэффициент заполнения достигает практически 100%. Такая особенность позволяет создавать на их основе очень чувствительные приборы.

Рис. 7. ПЗС- матрица с построчным переносом

Кроме рассмотренного преимущества матрицы с покадровым переносом обладают и рядом недостатков. Прежде всего, сам процесс переноса не может осуществляться мгновенно. Именно это обстоятельство приводит к ряду негативных явлений. В процессе переноса заряда из секции накопления в секцию хранения первая остается освещенной и в ней продолжается процесс накопления фотоэлектронов. Это приводит к тому, что яркие участки изображения успевают внести свой вклад в чужой зарядовый пакет даже за то короткое время, в течение которого он проходит через них. В результате на кадре появляются характерные искажения в виде вертикальных полос, простирающихся через весь кадр от ярких участков изображения. Одним из способов снижения этого эффекта является разделение секции накопления и секции переноса с тем, чтобы перенос протекал в затененной области. Матрицы такой архитектуры получили название ПЗС с межстрочным переносом (рис. 7).

В отличие от описанной ранее матрицы с покадровым переносом, в качестве элементов накопления заряда здесь выступают фотодиоды (более подробно фотодиоды будут рассмотрены позже). Заряды, накопляемые фотодиодами, передаются в затененные ПЗС-элементы, которые осуществляют дальнейший перенос заряда. Обратим внимание, что перенос всего кадра от фотодиодов в вертикальные ПЗС-регистры переноса происходит за один такт. Помимо двух рассмотренных типов ПЗС-матриц существуют и иные схемы. Например, схема, объединяющая межкадровый и межстрочный механизм (строчно-кадровый перенос), получается при добавлении к ПЗС-матрице межстрочного переноса секции хранения. При этом перенос кадра от фоточувствительных элементов происходит за один такт во время межстрочного интервала, а во время межкадрового интервала кадр передается в секцию хранения (межкадровый перенос); из секции хранения кадр передается в горизонтальный регистр сдвига во время межстрочных интервалов (межкадровый перенос). Весной 2000 года компания Fujifilm анонсировала первую цифровую камеру с сенсором Super CCD - Fuji FinePix 4700 Zoom. Новый тип сенсора позволял получать фотографии с 4,3 миллиона пикселей, используя сенсор всего с 2,4 миллиона элементов. Но в реальности Fuji просто осуществила следующее: структура сенсора была изменена, и информация трактовалась таким образом, что изображение подвергалось "инфляции". В сенсоре Fuji интересна именно структура. На классическом ПЗС-сенсоре элементы состоят из крошечных квадратиков, расположенных рядом друг с другом, как на шахматной доске. На сенсоре Super CCD форма светочувствительных элементов изменилась - они стали уже не квадратными, а восьмиугольными, и их расположение напоминает соты. Цепи передачи электрических сигналов также подверглись преобразованиям, чтобы оптимизировать скорость передачи от сенсора до чипа. Данный сенсор даёт хорошие результаты по вертикальному и горизонтальному разрешениям, к которым привык человеческий глаз. За счет использования восьмиугольных пикселей увеличивается рабочая поверхность фоточувствительного элемента и повышается плотность пикселов (количество пикселов ПЗС).

прибор сенсор схема

Размещено на Allbest.ru