Многозлементные фотоприемные устройства на основе приборов с зарядовой связью

ПЗС-фотоприемник (ФПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл - диэлектрик - полупроводник), выполненных на одном кристалле и образующих систему элементарных конденсаторов. В ПЗС-структуре осуществляется: формирование зарядного рельефа, адекватного распределению освещенности на фоточувствительной поверхности, хранение и перенос зарядового рельефа в сторону выходного устройства, а также детектирование зарядов, т. е. преобразование пространственных зарядов в выходное напряжение видеосигнала. Благодаря регулярности структуры на одном кристалле ФПЗС удается разместить большое число (до 10⁶) элементов. Режимы: накопления, хранения и считывания зарядов.

Накопление. Под воздействием внешнего поля зонные диаграммы искривляются. Вблизи границы раздела диэлектрик - полупроводник образуется потенциальная яма глубиной φ_s, в которой могут накапливаться неосновные носители заряда (дырки), возникающие за счет тепловой генерации и в результате поглощения квантов оптического излучения. Очевидно, что приповерхностный слой обеднен основными носителями (электронами), которые вытеснены внешним электрическим полем в глубь полупроводниковой подложки. После заполнения потенциальной ямы избыточные заряды будут инжектироваться в подложку, где они рекомбинируют с основными носителями. Часть избыточных зарядов может попадать в соседние потенциальные ямы, искажая зарядовый рельеф. Повышая напряжение накопления UB, можно увеличить максимальное число накапливаемых зарядов, а следовательно, и динамический диапазон работы ФПЗС. Однако напряжение можно увеличивать лишь до некоторого предела. Чтобы сохранить структуру зарядового рельефа в процессе последующего переноса, необходимо на этапе накопления потенциальные ямы разделить потенциальными барьерами, препятствующими «перемешиванию» зарядов. Поэтому каждую накопительную ячейку секционируют на несколько элементов (как правило, три) подключенных к различным управляющим шинам (Ф1, Ф2, Ф3)

Перенос

Заряды из одной потенциальной ямы в другую перетекают в результате диффузии и дрейфа носителей. Причем наибольшая часть заряда перетекает в начальный период времени за счет дрейфа носителей в электрическом поле, существующем благодаря разности потенциалов между пустой и заполненной потенциальными ямами. По мере выравнивания потенциалов скорость перетекания зарядов уменьшается, и далее процесс протекает в основном за счет диффузии носителей. Таким образом, во-первых, для передачи зарядов требуется определенное время, а во-вторых, передача зарядов не может быть полной. По этой причине скорость переключения потенциальных ям и суммарное число актов передачи ограничены.

Один из методов снижения искажений при переносе заключается в смещении самого канала переноса зарядовых пакетов от поверхности в глубь полупроводниковой подложки. С этой целью при изготовлении ФПЗС вводят специальный слой вблизи границы раздела окисел - полупроводник. Тип проводимости вводимого слоя должен быть противоположен типу проводимости подложки (рис. 34). За счет контактной разности потенциалов на границе раздела полупроводников р- и n-типов потенциальная яма, возникающая при подключении внешнего электрического поля, смещается в глубь полупроводниковой подложки. Такие ФПЗС получили названия ФПЗС с объемным или скрытым каналом переноса. Они допускают большую скорость вывода сигнала и обладают меньшим уровнем шумов переноса, чем ФПЗС с поверхностным каналом. Однако технология их изготовления значительно сложнее. По этой причине в настоящее время используют структуры обоих типов.