Трёхфазным регистром

Тактовые диаграммы напряжений, управляющих

Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода, будет уменьшен. за полный цикл (один такт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов на один элемент регистра.

В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1,4,7 прикладывается напряжение хранения U _xp, оттесняющее дырки вглубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенциальные ямы для электронов.

Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенциальные ямы, локализуются в тонком ( 0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4, 7, образуя сигнальные зарядовые пакеты. Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и т. д. прикладывается напряжение считывания, более высокое, чем напряжение хранения. Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенциальные ямы, чем под электронами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5, 7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенциальные ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до напряжения хранения, а с электродов 1, 4, 7 снимается. Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами. Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам или поддерживается небольшое напряжение смещения (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинационных эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрических импульсов.

Двумерный массив (матрицу) пикселей получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы.

Стоп-каналы - узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы. Чем больше концентрация примеси, т.е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь.

Проблемы, связанные с поверхностным каналом переноса электронов, удалось устранить в конструкции ПЗС со скрытым каналом. В настоящее время все ПЗС выпускаются только со скрытым каналом. В поверхностной области кремния создаётся тонкий (порядка 0,3 - 0,5 мкм) слой с проводимостью противоположного подложке типа и с концентрацией примеси такой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче на него напряжения через соответствующий контакт.

Эффективность переноса в ПЗС со скрытым каналом достигает 99,9999%, т.е. после тысячи переносов искажения от неэффективности составляют 0,1%. Причины:

1) низкая плотность ловушек в объёме полупроводника,

2) перенос происходит на некотором удалении от затворов, а значит, становятся заметными двумерные эффекты - электрическое поле одного затвора проникает под соседний, создавая дрейфовую составляющую переноса (тянущее поле), что вытягивает заряд гораздо быстрее, чем тепловая диффузия.

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в AT&T Bell Labs.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом, впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Самый первый ПЗС представлял собой аналоговый регистр сдвига на 8 элементов, изготовленный по p-МОП технологии с молибденовыми затворами, а вскоре появились и двумерные матрицы. Очень быстро стало ясно, что присущее ПЗС свойство самосканирования устраняет необходимость в регистрах развёртки, создававших столько проблем в предшествующих типах датчиков.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. Ивама умер в августе 1982. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

Первые матрицы имели электроды из молибдена. Для обеспечения зарядовой связи и возможно полного переноса заряда от затвора к затвору зазор между ними не мог быть большим, что приводило к крайне низкой чувствительности: почти вся площадь элемента оказывалась непрозрачной для света. Кроме того, при ширине зазора 2 микрона и суммарной его длине для всей матрицы несколько метров

весьма вероятно замыкание металлических фаз, что приводит к потере работоспособности.

Радикальным выходом стало предложенное в 1974 г. К. Секеном и М. Томпсеттом из Bell Labs использование электродов из поликристаллического кремния, прозрачного почти во всём видимом диапазоне. В таких приборах для формирования трёхфазной системы электродов используются три последовательно наносимых на подложку уровня поликремния, каждый для своей фазы, которые после формирования электродного рисунка окисляются. Чтобы при окислении поликремния не изменялась толщина подзатворного диэлектрика, в современных приборах он делается двухслойным – окисел + нитрид кремния

(Si₃N₄).

Первые же приборы с поликремниевыми затворами превзошли по чувствительности вакуумные трубки и даже фотоэмульсию. Кроме того, выращенный на каждом слое поликремния изолирующий окисел резко снизил вероятность межфазного замыкания, а межфазный зазор уменьшился до 0,2 мкм - толщины межфазного окисла.

С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

В октябре 2009 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены Нобелевской премии по физике.

Дата добавления: 2014-12-25