Ввод и детектирование заряда в ПЗС
Ввод заряда под первый электрод может быть осуществлен по-разному. Может использоваться явление пробоя приповерхностного слоя полупроводника, происходящее в том случае, если на электрод подать импульс достаточной амплитуды с малой длительностью (рис. 3.38, а). Так, для кремниевой подложки с ρ≈10 Ом×см и толщиной диэлектрика Хд = 0,12 мкм требуемое для пробоя напряжение составляет (150–160) В.
Ввод заряда под первый электрод может производиться при помощи р-n-перехода,
который при подаче отрицательного напряжения на первый электрод смещается в прямом
направлении и инжектирует дырки в приповерхностную область полупро-водника, контролируемую
пер-вым электродом (см. рис. 3.38, б). Инжекция носителей может осуществляться
и при помощи диода с барьером Шоттки.
Подвижный заряд под электродами можно собрать, подвергнув противоположную поверхность полупроводника действию света (см. рис 3.38, в). В этом случае происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар, стимулирующая поток дырок под электроды.
Первый способ привлекателен тем, что не нужно проводить диффузию примеси в подложку. Но при построении цифровых устройств (сдвиговых регистров, ЗУ) используется второй способ, так как в этом случае отпадает необходимость в источнике высокого напряжения.
Последний способ используется в устройствах, преобразующих световое изображение в электрический сигнал (в устройствах формирования сигналов изображений).
Детектирование (выделение) сигнала выполняется следующими способами:
подачей на выходной электрод импульса напряжения, создающего ток подложки
(рис. 3.39, а);
контролем импульса напряжения (рис. 3.39, б) на емкостном делителе (предварительно усиленного МДП-транзистором), поскольку от количества носителей зависит величина емкости «затвор — подложка»;
контролем инжекции заряда в обедненную область р-n-перехода, создающим кратковременный импульс тока, регистрируемый во внешней цепи (рис. 3.39, в).
Параметры ПЗС
Период Т напряжения каждой фазы состоит из трех интервалов записи (Тзап) и трех интервалов хранения (Тхр) (для наглядности эти три пары интервалов заштрихованы на рисунке 3.28, б)
Т = 3 (Тхр + Тзап)=1/F, (3.28)
где F — частота передачи пакета заряда.
Максимальная частота передачи достигается при условии Тхр<< Тзап
Fmax = 1/(3×Тзап). (3.29)
Время записи Тзап должно быть достаточным для возможно более полной передачи заряда от одного элемента хранения к другому.
Общая задержка Тз между выходным и входным импульсами определяется числом МДП-элементов N
Тз = (N–1)Т/3. (3.30)
Количественной характеристикой полноты передачи заряда является коэффициент эффективности η
η = 1 — ∆Q/Q = 1 – ε, (3.31)
где Q — передаваемый заряд;
∆Q — потеря заряда при передаче;
ε — коэффициент потерь.
Если при передаче заряды между двумя смежными элементами коэффициент эффективности равен (1– ε1), то для устройства, содержащего N ПЗС элементов, он не превысит (1 — N ε1). Допустимое количество элементов зависит от единичного коэффициента потерь ε1, который, как отмечалось, зависит от длины электрода и расстояния (зазора) между электродами. При зазоре (2–3) мкм и Тзап = (20–50) нС получается ε1 = (2–5)×10– 4, что позволяет применять в одной линейке до нескольких сотен элементов.
Одним из способов уменьшения коэффициента потерь является нейтрализация влияния ловушек (см. выше). Для этого, в частности, используется так называемый фоновый заряд, который вводится в ПЗС специально для того, чтобы заполнить ловушки и тем самим предотвратить захват ими дырок из рабочего зарядового пакета. Использование фонового заряда позволяет уменьшить коэффициент потерь почти на порядок.
Значениям Тзап = (20–50) нс соответствует максимальная частота Fmax = (6–15) МГц. При максимальной рабочей частоте, когда хранение по существу отcутствует, заряд непрерывно передается от одного МДП-элемента к другому.
Минимальная частота соответствует обратному условию Тхр >> Тзап.
Время хранения ограничено сверху. Оно должно быть настолько малым, чтобы за время транспортировки заряда Q через линейку ПЗС, это время составляло (N–1)Тхр, накопившийся паразитный заряд Qпар не превышал допустимое значение ∆Q.
Примечание: При Qпар = 0,1×Q и N = 400, за время хранения паразитный заряд в потенциальном яме должен составить не более 0,1 % от полезного. Так как Тхр ≈ (1–10) mС, то соответственно Fmin > (30–300) Гц.
Достоинством ПЗС является малое энергопотребление. Токи в затворах протекают только при передаче и записи заряда. В режиме хранения мощность практически не потребляется. Поэтому максимальная мощность за период передачи одного пакета с учетом равенств (3.21) и (3.29) запишется следующим образом:
Рmax =Qmax×(U3–U2)/3×Тзап ≈(U3–U2)2 Z×L×Co×Fmax.
Для типичных значений (U3 –U2) = 10 В; Z = 20 мкм; L = = 10 мкм; Сo = 200 пФ/мм2 и Fmax=10 МГц; Pmax= 4 мкВт/бит.
