Принципы построения и действия ПЗС

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Принципы построения и действия ПЗС»

МИНСК, 2008

Приборы с зарядовой связью (ПЗС), как и транзисторы, обладают свойством универсальности, позволяющим использовать их в самых разнообразных устройствах. Они применяются в цифровых ЗУ большой информационной емкости. В оптоэлектронных приемниках изображений на основе ПЗС создают формирователи видеосигналов. В радиотехнических системах обработки информации ПЗС используют при разработке линий задержки, фильтров различных типов, устройств спектрального анализа и обработки радиолокационных сигналов.

В данном случае рассматривается устройство, принцип действия и параметры элементов ПЗС, а также разновидности их конструкций.

Устройство, принцип действия.

Основными элементами ПЗС являются однотипные МДП – конденсаторы, сформированные на общей монокристаллической полупроводниковой подложке 1 p – типа (рис.1).Расположенные на слое диэлектрика 2 полоски затворов 3 образуют регулярную линейную систему или плоскую матрицу. Для большинства приборов подложку изготавливают из высокоомного кремния, диэлектриком служит диоксид кремния. Затворы с помощью алюминиевых или поликремниевых пленочных проводников присоединяют к управляющим шинам, на которые относительно заземленного электрода подложки подают импульсные управляющие напряжения. В рассматриваемом приборе три управляющих шины Ф1,Ф2,Ф3, поэтому он называется трехтактным. Для приборов с подложкой p -типа управляющие напряжения как правило имеют положительную полярность,а с подложкой n -типа – отрицательную.

При подаче напряжения высокого уровня, например,на шину Ф1 в приповерхностных областях полупроводниковой подложки под затворами, соединенными с этой шиной (первым, четвертым и т.д.),возникают потенциальные ямы для электронов. Электрический сигнал в ПЗС представлен не током или напряжением, как в микросхемах транзисторах на транзисторах, а зарядом – зарядовым пакетом.

Принцип действия ПЗС основан на накоплении и хранении зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затворами и на зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затворами и на перемещении зарядовых пакетов между соседними элементами при изменении управляющих напряжений – тактовых импульсов. Взаимодействие соседних элементов осуществляется с помощью переноса зарядовых пакетов в полупроводниковой подложке в направлении, показанном стрелкой на рис.1,а.

Это взаимодействие называют зарядовой связью, что отражено в названии прибора. Для того чтобы между соседними элементами обеспечивалась эффективная зарядовая связь, расстояния между затворами должны быть достаточно малыми по сравнению с толщиной обедненных слоев под затворами.

Благодаря непосредственной зарядовой связи между соседними элементами в ПЗС не нужны сигнальные проводники, необходимые в интегральных микросхемах содержащих транзисторы. На поверхности большей части кристалла распологаются только управляющие шины,а сигнальнальные проводники используются лишь на входах и выходах ПЗС.

У поверхности подложки сформированы области 4 p+-типа, границы которых на рис.1,а показаны штриховыми линиями. Области p+-типа ограничивают часть подложки, расположенную под затвором, в которой перемещаются зарядовые пакеты. Поэтому ее называют каналом переноса.

Рассмотрим физические процессы в МДП – структуре, подробно описанные в [3],применительно к ПЗС, которые в отличие от МДП транзисторов работают только в импульсном режиме. Пусть при t=0 напряжение на затворе изменяется скачком от Uз =0 до Uз >Uпор, где Uпор- пороговое напряжение. В полупроводнике под затвором образуется потенциальная яма для электронов и в течение очень короткого отрезка времени (порядка времени диэлектрической релаксации) формируется слой с высоким удельным сопротивлением, в котором под действием поля удалены основные носители – дырки , а электроны еще не успели накопиться. Глубина потенциальной ямы максимальна на границе полупроводника с диэлектриком , здесь начинает накапливаться зарядовый пакет электронов Qn. Он появляется вследствие контролируемого переноса зарядов из соседней МДП-структуры и неконтролируемых процессов: тепловой генерации электронов в обедненном слое или на поверхности полупроводника, диффузии электронов из подложки.

Распределения поверхностного потенциала в МДП-структуры и неконтролируемых процессов : тепловой генерации электронов в обедненном слое или на поверхности полупроводника, диффузии электронов из подложки.

Распределение поверхностного потенциала в МДП-структуре в направлении, перпендикулярном затвору, для различных моментов времени приведены на рис.2.Координата x отсчитывается от границы полупроводник (П) – диэлектрик (Д). Штриховой линией показана граница диэлектрик – металл (М). По мере накопления зарядового пакета за счет тепловой генерации носителей заряда толщина обедненного слоя Lоб и поверхностный потенциал полупроводника фпов уменьшаются, а разность потенциалов на диэлектрике увеличивается. В установившемся режиме (t ) поверхностный потенциал уменьшается до значения фпор=2фтln(Na/ni), где Na– концентрация акцепторов в подложке; ni – концентрация собственных носителей. При этом у поверхности образуется инверсный слой n-типа, максимальный заряд электронов в котором

Qn макс =Cд(Uз-Uпор),

Где Cд=Sз