Краткие сведения из теории
Приборы с зарядовой связью.
Изложение принципов работы и основных характеристик ПЗС проведём, исследуя в основном ПЗС-матрицы [2–5]. ПЗС-матрица – интегральная схема, представляющая собой совокупность МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник) (другое также широко используемое название – МОП-структура: металл-окисел-полупроводник), сформированных на общей полупроводниковой подложке таким образом, 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, 3 – металлические электроды; 4 – диэлектрик
Устройство изобретено У. Бойлом (W. Boyle) и Дж. Смитом (G. Smith) в 1969 году. В ПЗС осуществляется направленная передача зарядов от электрода к электроду путём манипуляции электрическими напряжениями на этих электродах. Заряды в ПЗС вводятся электрическим (инжекцией) или фотоэлектрическим способами. Основные функциональные назначения фоточувствительных ПЗС – преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации. Используются термины «прибор с переносом заряда» (ППЗ) и «фоточувствительный прибор с зарядовой связью» (ФПЗС). ПЗС изготовляют на основе монокристаллического кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создаётся тонкая (0,1–0,15 мкм) диэлектрическая плёнка диоксида кремния (SiO2).
Этот процесс осуществляется таким образом, чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник – диэлектрик и минималь-ную концентрацию рекомбинационных центров на границе. Электроды отдельных МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3–7 мкм, зазор между электродами порядка 0,2–3 мкм. Типичное число МДП-элементов – 500–2000 в линейном и 104–106 в матричном ПЗС, площадь пластины порядка 1 см2.
Под крайними электродами каждой строки изготовляют р-п-переходы, предназначенные для ввода-вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрическим способом (инжекция р-n-переходом). При фотоэлектри-ческом вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют пленками поликристаллического кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-областях спектра. Это и реализуется в исследуемой ПЗС-матрице. 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 Ф1 прикладывается так называемое напряжение хранения Uхр, оттесняющее основные носители – дырки в случае кремния р-типа – вглубь полупроводника и образующее обедненные слои глубиной 0,5–2 мкм – потенциальные ямы для электронов.
Рис. 2. Схема работы трёхфазного прибора с зарядовой связью –
сдвигового регистра: а – поперечный разрез, на котором изображены входная часть секции переноса и выходная часть (для простоты показана упрощенная электродная структура с неизолированными зазорами), б – распределение
поверхностного потенциала с потенциальными ямами под электродами,
в – форма распределения поверхностного потенциала, иллюстрирующая