Прибор с зарядовой связью

Изобретён У. Бойлом (W. Boyle) и Дж. Смитом (G. Smith) в 1969 году. В 2009 году создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.

ПЗС-ма́трица (сокр. от «п рибор с з арядовой с вязью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

(ПЗС) - интегральная схема, представляющая собой совокупность МДП-структур, сформированных на общей полупроводниковой подложке т. о., что полоски электродов образуют линейную или матричную регулярную структуру. Расстояния между соседними электродами столь малы, что существенным становится их взаимовлияние вследствие перекрытия областей пространственного заряда вблизи краёв соседних электродов (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Структура прибора с зарядовой связью (фрагмент): 1 - кристалл кремния; 2 - вход - выход; з - металлические электроды; 4 - диэлектрик.

В ПЗС осуществляется направленная передача зарядов от электрода к электроду путём манипуляции электрическими напряжениями на этих электродах. Заряды в ПЗС вводятся электрическим (инжекцией) или фотоэлектрическим способами. Основные функциональные назначения фоточувствительных ПЗС - преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации. Используются термины "прибор с переносом заряда" (ППЗ) и "фоточувствительный прибор с зарядовой связью" (ФПЗС). ПЗС изготовляют на основе монокристаллического кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрическая плёнка диоксида кремния. Этот процесс осуществляется т. о., чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник - диэлектрик и мин. концентрацию рекомбинационных центров на границе. Электроды отд. МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП элементов 500-2000 в линейном и 10⁴ – 10⁶ в матричном ПЗС; площадь пластины ~ 1см². Под крайними электродами каждой строки изготовляют p- n переходы, предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом (инжекция p - n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегиров. поликристаллич. кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-облас-тях спектра. Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рис. 4.8.

В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения U _xp, оттесняющее осн. носители - дырки в случае кремния р-типа - вглубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенц. ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенц. 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. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела (темновой ток) эти заряды будут накапливаться в потенц. ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и т. д. прикладывается т. н. напряжение считывания U _с, более высокое, чем напряжение хранения U _xp. Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. 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 потенц. ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до U _xp, а с электродов 1, 4, 7 снимается напряжение считывания U _с. 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 U _xp или U _с поддерживается небольшое напряжение смещения U _см (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинационных эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний p -n переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, к-рый после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрич. импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение.На рис 4.9. приведено устройство одного субпикселя ПЗС.

Рис 4.9. Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптич. потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС - кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.