Квантовая и оптическая электроника. Лекция N4

Фотоприборы с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) — это интегральная схема, представляющая собой совокупность МОП (металл-оксид-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структур, сформированных на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски электродов образуют линейную или матричную регулярную структуру. Частный случай применения приборов с зарядовой связью – использование в качестве ФотоПЗС.

1. Конструкция моп (мдп) -ячейки, перенос заряда и считывание сигнала.

Основой ПЗС является конденсатор со структурой МОП или МДП, способный хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием света. Цепочка из таких конденсаторов, связанных особым образом друг с другом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под воздействием управляющих напряжений от одного элемента структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются в потенциал или ток.

А

Рис. 1 Ячейка МОП-структуры: 1-подложка из p-кремния; 2-оксид; 3-проводящий электрод; 4-область СД

ктивной ячейкой, осуществляющей преобразование светового потока в электрический заряд, является конденсатор. На Рис. 1 показана такая ячейка, включающая в качестве основы подложку из р-кремния. Путем термического окисления на ее поверхности формируется слой оксида, на который наносится проводящий электрод. Если между электродом и подложкой приложить положительное напряжение Uэ, то под действием электрического поля под проводящим электродом будет образована зона, обедненная для основных носителей, в рассматриваемом случае для дырок — зона стоп-диффузии (СД) (указана штриховыми линиями). В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей заряда (здесь—электронов). Если заряды образовываются за счет фото- или термоэлектронной эмиссии, то значение заряда, накопленного за дозированное время, оказывается пропорциональным освещенности. На Рис.2 показано, как изменяется поверхностный потенциал UП (в относительных единицах) по мере накопления заряда Q (в относит

Рис. 2 Характеристика накоп-ления ячейки МОП - структуры

ельных единицах). На том же графике приведена зависимость шириныd обедненного слоя от величины накопленного заряда. Характер зависимости UП и d от Q определяется концентрацией легирующей примеси и толщиной слоя оксида. Рассмотрим механизм накопления заряда в ячейке МОП-структуры с учетом динамического характера потенциала UЭ, при неосвещенном фотоэлементе. После подачи на металлический электрод МОП-структуры положительного потенциала достаточно большой амплитуды в подложке образуется потенциальная яма. За счет тепловой генерации неосновных носителей в ячейке будет скапливаться заряд, его максимальная величина в зависимости от температуры и свойств материалов МОП-структуры образуется за время от сотых долей до единиц секунд и выше. Если ограничить значение заряда, возникающего под действием тепловой генерации (так называемый уровень лог. О), то можно определить максимальное время накопления и хранения заряда в ячейке, т. е. найти нижний предел рабочих частот накопительной ячейки. В реальных приборах при комнатной температуре обычно его устанавливают от единиц до десятков килогерц.

Н

Рис.3

Электрическая модель ячейки памяти

а Рис.3 показана эквивалентная схема ячейки памяти где: генератор смещения Uсм отражает влияние встроенного в диэлектрике заряда, а также разность потенциалов в структуре, обусловленную разностью работ выхода из материала электрода (металла) и полупроводника: Uсм = QД/CД - м.п.; СП-емкость подложки; CД-емкость диэлектрика; генератор тока Iт.п, отражающий термогенерационные поверхностные токи Iт.п=jт.пSэ где jТ.П — плотность тока термогенерации на поверхностных состояниях (уровнях); rпг -сопротивление (нелинейное) натекания заряда из подложки, отражающее генерацию в переходном слое; Qns-максимальный заряд подвижных носителей, соответствующий равновесному режиму (стационарному); Qns макс = СД(Uэ - Uпор - Uп),

(1)

Где U_ПОР - пороговое напряжение МДП-ячейки.

Н

Рис. 4 Линейный ПЗС (а), диаграммы для различных потенциалов и различных моментов времени (б-г) и временные диаграммы потенциалов (д)

а Рис. 4 показан фрагмент линейного ПЗС, выполненного на общей подложке. Расстояние между электродами настолько мало, что обедненные области при подаче на электрод положительного потенциала простираются практически до соседних электродов. Это условно указано на Рис. 4,б—г, где штриховой линией показано значение поверхностного потенциала в соответствующем участке структуры для различных моментов времени. Там же указан характер изменения во времени потенциалов на электродах структуры (Рис. 4, д). Линейка представляет собой трехфазную структуру, электроды которой соединены между собой через два. Как видно из Рис. 4, д, потенциалы электродов изменяются с циклической последовательностью. Зарядовый пакет, который за время накопления формируется под электродом Э1, после подачи на соседний электрод положительного потенциала (рис. 4,б, в) будет перемещаться под электрод Э2. Если потенциал, электрода Э1 будет уменьшен до исходного значения, то зарядовый пакет полностью переместится под электрод Э2 (Рис. 4,г). Аналогично зарядовый пакет может быть смещен под электрод ЭЗ и т. д. Цикличность изменения потенциалов электродов обеспечивает процесс перемещения зарядовых пакетов в направлении, указанном на Рис. 4,а стрелкой. В данном случае предполагается, что во время переноса зарядовых пакетов вдоль структуры освещение (накопление) зарядов прерывается.

Рассмотренная структура может быть использована для формирования СИ одной строки. Элементу изображения, соответствует ячейка из трех элементов структуры. Соседние зарядовые пакеты, изолированы друг от друга потенциальными барьерами электродов, находящихся под низким напряжением.

С

Рис. 5. Элемент считывания:

а - структура; б - электрическая модель; в - сигналы считывания при вводе и выводе заряда.

читывание зарядов из ячейки памяти осуществляется следующим способом. На считывающий электрод (рис. 5,а) устанавливают фиксированный потенциал U = U_ОП, который может быть реализован с помощью разрядного транзистора (см. рис. 5,а). После того, как заряды попали в ячейку памяти, ее переводят в «плавающий» режим (отключением электрода от источника смещения U_Э= 0 U_ОП 0). При этом исчезает потенциальная яма и находящиеся в ней носители зарядов, начинают влиять на потенциал электрода. По его изменению судят о величине заряда находившегося в ячейке.

U_ВЫХ = Qns/С_Э._ЭКВ (2)

где СЭ.ЭКВ — эквивалентная емкость ячейки памяти в режиме считывания.

На рис. 5.б приведена эквивалентная схема ячейки памяти с использованием разрядного транзистора для установки начального напряжения перед считыванием, где емкость Сн отражает емкостную нагрузку ячейки последующим устройством, С_П – емкость подложки, С_Д – емкость диэлектрика. Считывание на «плавающем» электроде позволяет осуществлять определение величины заряда в ячейке под электродом как при переносе его под электрод, так и при удалении его из-под электрода. В первом случае установка уровня отсчета (опорного напряжения) осуществляется без информационного заряда Qns перед тактом его ввода в ячейку, во втором — установка уровня отсчета (опорного напряжения) осуществляется, когда информационный заряд находится в ячейке, а о величине заряда судят по изменению напряжения на электроде (управляющий сигнал с которого предварительно убран) после вывода заряда из ячейки.

Н

Рис. 6. Зависимость максимального заряда от амплитуды управляющего напряжения

а рис. 5.в приведены временные диаграммы выходного напряжения для режимов считывания при вводе заряда Qj и выводе заряда Qi. Уровень потенциала UВЫХ = UОП соответствует заданию опорного уровня на электрод ячейки памяти, UФ.Р — управляющее разрядным транзистором напряжение. При вводе заряда (в данном случае электронов для ячейки с n-каналом) напряжение на электроде уменьшается (UВЫХ = Qj/СЭ.ЭКВ); при выводе заряда Qi -увеличивается (UВЫХ = - Qi/CЭ.ЭКВ>0). При вводе или выводе заряда из ячейки памяти, напряжение на электроде которого установлено предварительно равным UОП, ячейка переходит из одного нестационарного состояния в другое, отличающееся потенциалом электрода на величину, которая практически равна изменению напряжения на переходном слое канал—подложка, т. е. изменению поверхностного потенциала. Емкость Сэ.экв = СдСп/(Сд+Сп) +СН определяется (см. рис. 4) практически емкостью переходного слоя и емкостью нагрузки Сэ.экв = Сп+Сн, поскольку обычно Сд>>Сп. Заряд из ячейки памяти считывается как бы через разделительную емкость Сд, находясь на емкости Сп.