14

Л Е К Ц И Я 3

"Многоэлементные фотоприемники на основе приборов

с зарядовой связью для телевизионной съемочной аппаратуры

систем космического наблюдения".

Основным типом фотодетекторов, используемых в телевизионных системах наблюдения из Космоса, являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗС). Высокая степень интеграции, высокая чувствительность, удобство управления обеспечивает этим фотоприемникам широкое распространение в различных наземных и космических системах. Рассмотрим коротко основные принципы организации и работы приборов с зарядовой связью.

Основы физики работы пзс.

Первые ПЗС появились около 30 лет назад, когда В. Бойл и Д. Смит показали на примитивном "прародителе" современных ПЗС, что между близко расположенными МОП - конденсаторами возможен обмен зарядами – зарядовая связь. Манипулируя смещениями, прикладываемыми к таким МОП – конденсаторам, можно накапливать заряды, перемещать их, разделять, объединять, т.е. осуществлять аналоговую и цифровую обработку информации на дискретных элементах. Первые ПЗС насчитывали всего 7 МОП - конденсаторов, а в современных число элементов может составлять 16 миллионов и более. Столь внушительный прогресс объясняется несколькими причинами: Во-первых, сам принцип зарядовой связи весьма привлекателен своей простотой: информация в ПЗС передается непосредственно зарядами без промежуточного преобразования заряда (тока) в потенциал и обратно, при этом обеспечивается наиболее точное преобразование информации. Во-вторых, ПЗС, обладают очень большой функциональностью. С момента появления ПЗС им прочили три основных направления применения: преобразование оптического излучения в электрический сигнал – фоточувствительный сигнал; аналоговую обработку информации (линии задержки, фильтры); запоминающие устройства.

Наибольшее развитие получило первое направление, связанное с конструктивно-технологические особенности ПЗС таковы, в них легко достичь очень высокой степени интеграции, так как, например фоточувствительные ПЗС, представляют собой регулярный массив, сравнительно простых по топологии элементов, к которым ненужно изготавливать индивидуальные контакты.

Фоточувствительные ПЗС нашли применение в аппаратуре широкого спектра: в промышленных и бытовых ТВ-камерах, охранных системах, робототехнических комплексах и системах технического зрения, прецизионных измерителях координат, сборочном оборудовании, оптических и радиотелескопах, системах ввода графической информации в ЭВМ (сканеры); в бортовой космической съемочной телевизионной аппаратуре.

При всем многообразии ПЗС их основой является МОП-емкость.

На рисунке показана МОП-емкость, сформированная на полупроводнике р-типа (возможно и на n-типе). МОП-емкость состоит из электрода, который может быть изготовлен из металла или сильнолегированного поликремния (в этом случае электрод имеет достаточно хорошую прозрачность), диэлектрика и полупроводниковой подложки. Обычно подложкой служит монокристаллический кремний (Si), диэлектриком в большинстве случаях термически выращенный диоксид кремния SiO₂ с нитридом кремния (Si₃N₄). Толщина слоя диэлектрика мала и составляет 0,05 – 0,1 мкм. При большой толщине диэлектрика поле будет слабо проникать в подложку и управление свойствами ПЗС затрудняется.

Рассмотрим основные свойства идеальной МОП-емкости в состоянии термодинамического равновесия. При любых смещениях на электроде существуют только заряд в полупроводнике и равный ему, но противоположный по знаку заряд на электроде (в идеальной структуре заряд в диэлектрике равен нулю), работы выхода электронов из металла электродов и полупроводника равны, отсутствует перенос носителей заряда через диэлектрик (при постоянном смещении).

Следствием первых двух условий является состояние плоских зон: энергетические зоны полупроводника при отсутствии смещения не изгибаются у поверхности раздела. Реальная МОП-емкость отличается от идеальной хоты бы тем, что в диэлектрике есть встроенный заряд, который приведет к изгибу зон уже при нулевом смещении.

В полупроводнике р-типа с объемной концентрацией акцепторов N_А уровень Ферми находится между серединой запрещенной зоны и верхом валентной зоны. Потенциал Ψ_F , соответствующий уровню Ферми, равен:

,

где n_i – концентрация носителей в собственном полупроводнике.

При N_А = 6·10¹⁴ см^-3 (удельное сопротивление р-Si 20 Ом·см) Ψ_F ≈ 0,25 В. Потенциал Ψ_F отсчитывается от середины запрещенной зоны, если уровень Ферми лежит ниже середины (р-тип), то Ψ_F < 0, если выше (n-тип), - Ψ_F > 0.

В зависимости от поданного на электрод МОП-емкости смещения могут существовать три различных состояния: