5.3.      Полупроводниковые приборы с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) – это полупроводниковый прибор, имеющий большое число близкорасположенных и изолированных от подложки затворов (МДП-структур), под которыми может происходить перенос к стоку информа­ционных пакетов неосновных носителей заряда, либо инжектированных из исто­ка, либо возникших в подложке из-за поглощения оптического излучения.

Принцип действия ПЗС рассмотрим на примере трехтактной схе­мы сдвигового регистра, которую можно представить как струк­туру МДП-транзистора со многими затворами (рис. 5.9). Этот прибор состоит из трех секций.

Первая – входная секция – включает в себя исток с p⁺-об­ластью под ним и входной затвор, выполняющий роль ключа для управления движением дырок из диффузионной р⁺-области исто­ка в первую потенциальную яму.

Вторая – секция переноса – состоит из ряда затворов, уп­равляющих потенциалом на границе кремний – диоксид кремния. Эти затворы соединены между собой через два. Напряжения на затворах секции переноса имеют вид импульсов различной ам­плитуды, которые сменяют друг друга циклической перестанов­кой (рис. 5.9, б – д). При таком изменении напряжения на затвоpax потенциальные ямы перемещаются к выходу прибора, увле­кая за собой пакеты носителей заряда – дырок.

Третья – выходная секция – включает в себя р-n-переход стока. Этот переход смещен в обратном направлении и предназ­начен для экстракции дырок из подходящих к нему потенциаль­ных ям (рис. 5.9, г).

Пусть на начальном такте работы на входной затвор подано напряжение , достаточное для образования проводящего ка­нала под входным затвором (). Если при этом на первом затворе секции переноса существует достаточно большое отрицательное напряжение, т.е. если под первым затвором сек­ции переноса существует глубокая потенциальная яма для ды­рок, то дырки будут выходить из истока, проходить по каналу под входным затвором и накапливаться в потенциальной яме под первым затвором секции переноса (рис. 5.9, 6).

Напряжение на входном затворе  снимается к началу сле­дующего такта изменения напряжений на затворах секции пере­носа. Поэтому проводящий канал под входным затвором исче­зает. Так происходит запись информации (например, логической единицы), которой соответствует некоторый заряд дырок , накопленных в потенциальной яме под первым затвором в ре­зультате инжекции из истока.

Отметим, что для записи информа­ции, соответствующей логическому нулю, на входной затвор не должно быть подано отрицательное напряжение. В этом случае не будет инжекции дырок из p⁺-области истока в потенциальную яму под первым затвором (рис. 5.9, д) и в ней может оказаться только относительно небольшой заряд дырок  , связанный либо с тепловой генерацией носителей заряда, либо с неполным опустошением потенциальной ямы на предыдущих тактах работы прибора.

После смены напряжений на затворах секции переноса самое отрицательное напряжение будет на втором затворе, поэтому пакет дырок передвинется в потенциальную яму под вторым за­твором секции переноса (рис. 5.9, в). При следующих тактах изменения напряжения на затворах секции переноса будет про­исходить дальнейшее продвижение пакета дырок к выходной секции (рис. 5.9, г, д).

Если в потенциальных ямах, подходящих к р-n-переходу стока, нет носителей заряда – дырок, то не будет и изменения тока в цепи стока. И только в том случае, когда потенциальная яма, содержащая дырки, подойдет к р-n-переходу стока, про­изойдет экстракция этих дырок, и в цепи стока пройдет импульс тока или изменится напряжение на стоке (рис. 5.9, г).

Следует отметить, что ПЗС является типично динамическим устройством и имеет нижний и верхний пределы тактовых частот импульсов напряжения, питающих секцию переноса.

Нижний предел тактовой частоты определяется тем, что между потенциальной ямой у поверхн
ости и остальным объемом полупроводника проходят токи, связанные с тепловой генерацией носителей заряда и ничем, в принципе, не отличающиеся от об­ратного тока экстракции через р-n-переход. Эти токи влияют на уровень логического нуля, повышая заряд дырок в пустых по­тенциальных ямах. В зависимости от температуры и свойств полупроводника заметное накопление дырок в пустых потенциаль­ных ямах может произойти за время от сотых долей секунды до единиц секунд. Поэтому нижний предел тактовой частоты ПЗС составляет обычно единицы – десятки килогерц.

Верхний предел тактовой частоты определяется временем перетекания заряда из одной потенциальной ямы в другую (поряд­ка единиц наносекунд). За более короткое время весь заряд не успевает перейти из одной потенциальной ямы в соседнюю. По­этому верхний предел тактовых частот для ПЗС определяется обычно десятками мегагерц.

К настоящему времени выявилось три основных направления использования ПЗС:

1) запоминающие устройства;

2) устройства преобразования изобра­жения в электрические сигналы;

3) устройства обработки ана­логовой информации.

Запоминающие устройства

По принципу действия ПЗС представляют собой запоминающие устройства типа линий за­держки. На их основе созданы цифровые сдвигающие регистры с последовательным вводом и выводом информации.

Информация непрерывно циркулирует в таком запоминающем устройстве на ПЗС с регенерацией, т.е. с восстановлением уровней пустых потенциальных ям. При обращении к регистру производится выборка записанной инфор­мации с регенерацией или без нее, т.е. с неразрушающим считы­ванием или с разрушением записанной информации.

Устройства преобразования изображения в электрические сигналы

Принцип действия таких устройств основан на том, что при освещении ПЗС в полупроводнике около его поверхности об­разуются пары носителей заряда электрон – дырка, которые раз­деляются электрическим полем потенциальной ямы под затвором секции переноса.

Образующиеся при поглощении квантов света носители заполняют потенциальные ямы пропорционально осве­щенности данной области ПЗС. Если затем произвести обычным путем сдвиг записанной световой информации, то сигнал на вы­ходе ПЗС будет повторять распределение освещенности, т.е. будет выделена строка изображения. Так же может быть выде­лена следующая строка и т.д. В настоящее время созданы пере­дающие камеры с ПЗС, достигающие обычного телевизионного стандарта по разрешающей способности, в том числе и для цвет­ного телевидения.

Устройства обработки аналоговой информации

С помощью ПЗС могут запоминаться и аналоговые сигналы, но в этом случае становится невозможной регенерация записанной информации. Однако и простое запоминание открывает большие возможности использования ПЗС, так как эти приборы позволяют регулиро­вать задержку переноса информации. Простейшим вариантом использования ПЗС для обработки аналоговой информации ока­зались линии фиксированной задержки для телевизионных при­емников цветного изображения.