4. Механизм переноса сигнального заряда

Процесс переноса сигнального заряда в ПЗС определяется тремя основными физическими механизмами: термической диффузией, самоиндуцированным дрейфом и дрейфом в краевых электрических полях.

Для относительно малых зарядовых пакетов доминирующим механизмом переноса является термодиффузия. В этом случае полный заряд, оставшийся под электродом, из-под которого осуществляется перенос, к моменту времени t от начала переноса экспоненциально уменьшается со временем.

Стекание относительно больших (сравнимых с полной глубиной потенциальной ямы) зарядовых пакетов происходит за счет самоиндуцированного дрейфа, обусловленного простым электростатическим расталкиванием инверсионных электронов. Возникающее при этом продольное (направленное параллельно границе с окислом) электрическое поле пропорционально градиенту поверхностной плотности сигнального заряда. В результате сигнальный заряд уменьшается во времени по гиперболическому закону.

Оказывается, что и в отсутствие сигнального заряда под электродом переноса на границе с окислом существует определенное продольное электрическое поле. Это так называемое краевое поле, для вычисления которого необходимо учитывать двумерный характер распределения потенциала в обедненном слое ПЗС структуры, обусловлено влиянием потенциалов на соседних электродах. Значения краевых полей зависят от толщины слоя окисла, длины электродов, уровня легирования и амплитуды тактовых напряжений. Ясно, что на последних стадиях процесса переноса, когда оставшаяся под электродом часть сигнального заряда становится такой малой, что само индуцированное поле оказывается меньше краевого, именно последнее определяет динамику стекания оставшихся малых порций сигнального заряда.

Рассмотренные выше механизмы переноса называются моделью переноса свободных зарядов. Эта модель справедлива при сравнительно высоких тактовых частотах и дает разумную оценку предельных тактовых частот ПЗС, превышение которых приводит к резкому снижению эффективности переноса. Так, например, для ПЗС с длиной затворов около 10 мкм и при типичных значениях остальных параметров для обеспечения эффективности переноса не ниже 99,99 % тактовая частота не должна превышать нескольких десятков мегагерц.

5. Частотные свойства

Для того чтобы эффективность переноса превышала 99,99 %, или, что-то же самое, чтобы неэффективность была меньше 10^-4, тактовые частоты не должны превышать нескольких десятков мегабит в 1 с (>10⁷ Гц). В тех случаях, когда требуются более высокие тактовые частоты, следует использовать структуры с более короткими электродами. При этом увеличиваются краевые поля, а, следовательно, и скорость перетекания заряда.

При малых тактовых частотах главным фактором, определяющим работоспособность ПЗС, является темновой ток прибора.

Рис. 5.1

Низкочастотный завал частотной характеристики (рис. 5.1) обусловлен встраиванием дополнительного (за счет темнового тока) заряда в сигнальные пакеты, что, естественно, искажает амплитуду передаваемых сигналов. На рис. 5.1 1_SS – амплитуда единицы неискажённого сигнала, 1_WS – амплитуда единицы искаженного сигнала, 0_WS - амплитуда нулевого сигнала. Ее высокочастотный спад обусловлен резким уменьшением эффективности переноса, когда длительность тактового импульса оказывается недостаточной для полного перетекания сигнального заряда из-под одного затвора под другой.

Для улучшения низкочастотных свойств ПЗС следует уменьшать все компоненты темнового тока, увеличивая время жизни, диффузионную длину и снижая скорость поверхностной рекомбинации. Для расширения рабочего диапазона ПЗС в сторону высоких частот можно уменьшать длину затвора, использовать n-канальные структуры (поскольку подвижность электронов выше, чем у дырок) и уменьшать межэлектродный зазор.