Принципиальное устройство МОП-конденсатора. Фотоэффект в МОП-конденсаторе

МОП - металл-оксид-полупроводник

Принцип работы МОП-конденсатора.Конструкция отдельного МОП-конденсатора у каждого производителя своя, но заложенный в неё принцип - одинаков. Свет (фотоны), попадая через изолятор на кремниевый канал n-типа, выбивает оттуда электроны, которые собираются в зоне потенциальной ямы - "карман n-типа" (потенциальная яма - зона с пониженной потенциальной энергией). Затем накопленные заряды считываются, то есть преобразуются в серию электрических импульсов. Чем больше была овещенность конденсатора, тем больше электронов будет собрано в потенцильной яме и тем больший заряд будет в ней накоплен.

Принципиальное утройство МОП-конденсатора. На полупроводниковой подложке (например, p-типа продимости; может быть и полупроводник с n-проводимостью) формируется тонкий 0,1-0,15 мкм слой диэлектрика (обычно оксид), на который наносится проводящие электроды (из металла или сильно легированного поликристаллического кремния).

Для придания зарядам движения вдоль регистра с обеих сторон канала переноса создают стоп-каналы - области, легированные более сильно, чем кремний в самом канале переноса. Потенциальная яма в стоп-канале не возникает, и пакет зарядов не расплывается.

Сразу после приложения напряженя основные носители (в нашем случае дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходит от поверхности, образуется приповерхностный обеднённый носителями заряда слой и потенциальную яму у поверхности электрода. ПЗС функционирует, используя нестационарное состояние МОП-структуры. Так как скорость термогенерации носителей заряда мала, потенциальную яму МОП-структуры можно использовать для накопления и временного хранения сигнальных зарядовых пакетов, хранящих информацию.

Вследствие процессов термогенерации к хранящемуся в потенциальной яме сигнальному (информационному) заряду добавляется паразитный термогенерируемый заряд. Этот заряд в основном обусловлен термогенерацией электронно-дырочных пар на поверхности в обеднённом слое и, в значительно меньшей степени, диффузией неосновных носителй заряда из нейтральных областей, примыкающих к обеднённому слою. Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает информационный. Максимальное время накопления и хранения зарядов определяется свойствами полупроводника, допустимой степени ошибки измерения, но самое главное - температурой ПЗС. Поэтому ПЗС высокого качества охлаждаются чаще всего с помощью встроенных полупроводниковых холодильников.

Если ПЗС осветить, то, поглащаемые в полупроводнике фотоны, вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обеднённом слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника. Зарядовый пакет, накапливаемый в каждом элементе пропорционален усреднённому по площади светочувствительного элемента потоку фотонов, времени накопления и квантовой эффективности, которая, учитывая отражение и поглощение света, составляет 0,2-0,4.

МОП-конденсаторы имеют определённую область спектральной чувствительности, то есть область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в зарядовые пакеты. Длинноволновая её граница для кремния составляет 1,1 мкм (1100 нм). Коротковолновая - 0,4-0,5 мкм (400-500 нм.)

Ортогональная структура ПЗС матрицы содержит, как правило, от ~10 в 5той (256х512) до ~10 в 6той (1024х2048) ячеек (пикселов). Размер каждой ячейки в различных ПЗС матрицах колеблется в от 5 до 15 мкм, а расстояние между ними составляет 0,1-1,0 мки. Таким образом, общий размер матрицы обычно не превышает 1 см (диагональ).

Каждая ячейка (пиксель) состоит из нескольких МОП структур, служащих для детектирования (накопления заряда за счёт фотоэффекта), хранения накопленного заряда и его дальнейшей транспортировки.

Характеристики сенсоров фоточувствительной матрицы + тетрадь!

Для сенсоров любого типа критической характеристикой является линейная зависимость фототока или заряда конденсатора от интенсивности падающего излучения, потому что только линейность этой зависимости позволяет проводить дальнейшую обработку изображения.

Помимо линейности зависимости фототока от интенсивности падающего излучения сенсоры имеют следующие характеристики:

— Квантовый выход или квантовая эффективность - чувствительность сенсора, желательно - высокая. Квантовая эффективность с учётом отражения и поглощения света составляет 0,2-0,4 у МОП-конденсатов.

— Динамический диапазон - это тот диапазон фототока, в пределах которого сохраняется линейная зависимость фототока или заряда конденсаторов от интенсивности падающего излучения.

— Пороговая чувствительность - значение минимального сигнала, регистрируемого сенсором.

— Уровень шумов. Ток или заряд, которые возникают в сенсоре без воздействия света. Темновой ток - в случае фотодиода. Паразитный термогенерируемый заряд, обусловленный термогенерацией электронно-дырочных пар на поверхности в обеднённом слое и диффузией неосновных носителей в МОП-конденсаторе.

— Инерционность - время установления фототока или заряда конденсатора, обычно 10 в -7 степени - 10 в -8 степени секунды и до 10 в -10 сек.

— Пространственная модуляция - неоднородность чувствительности внутри и между пикселами. Должна быть сведена к минимуму.

— Спектральнаый диапазон (область спектральной чувствительности) - спектральная область, в которой сенсор обладает чувствительностью и может регистрировать излучение.

— Время жизни сенсора - период эксплуатации, во время которого характеристики сенсора должны оставаться стабильными.

— Спектральная чувствительность - отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны (лазер, ртутная или инаяз разрядная лампа). Это характеристика фотодиода, т.к. он спектрально селективен в отличие от МОП-конденсатора.