1. Структура и принцип действия приборов с зарядовой связью

1
ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛУПРОВДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
1. Структура и принцип действия приборов с зарядовой связью
Прибор с зарядовой связью (ПЗС) это полупроводниковый прибор имеющий большое число близкорасположенных и изолированных от подложки затворов (МДПструктур) под которыми может происходить перенос к стоку информационных потоков
неосновных носителей заряда либо инжектированных из истока, либо возникших в подложке из-за поглощения оптического излучения.
Трехтактовая схема сдвигового регистра показана на рис.1. Этот прибор изготавливается на основе монокристалла Si-n-типа и состоит из трех секций:
Первая – входная секция включает в себя исток с расположенной под ним высоколегированной p+-областью и входной управляющий затвор. Он выполняет роль ключа и
служит для управления движением дырок из истока в первую потенциальную яму.
Вторая – секция переноса состоит из ряда затворов управляющих потенциалом на
границе полупроводник (Si-n-типа) – диэлектрик (SiO2). Эти затворы соединены между
собой через два. Напряжения на затворах секции переноса имеют вид импульсов различной амплитуды, которые изменяются с течением времени как показано на рис.1, б, в и г.
При таком изменении напряжения на затворах потенциальные ямы перемещаются к выходу прибора, увлекая за собой пакеты носителей заряда – дырок.
Третья – выходная секция включает в себя p-n- переход стока. Этот переход смещен в обратном направлении и предназначен для экстракции дырок из подходящих к нему
потенциальных ям.
Пусть на начальном такте работы на входной затвор подано отрицательное напряжение –Uвх, достаточное для образования проводящего канала под входным затвором
|Uвх|>|Uпор|. Если при этом на первом затворе секции переноса существует достаточно
большое отрицательное напряжение, тогда под первым затвором существует глубокая потенциальна яма для дырок и дырки будут выходить из истока, проходить по каналу под
входным управляющим затвором и накапливаться в потенциальной яме под первым затвором.
Напряжение на входном затворе –Uвх 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 заряд дырок Q(1), накопленный в потенциальной яме под первым
затвором в результате инжекции из истока. 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.1, г) и в ней может оказаться только относительно небольшой заряд
дырок Q(0), связанный с тепловой генерацией носителей заряда, либо с неполным опустошением потенциальной ямы на предыдущих тактах работы прибора.
После смены напряжений на затворах секции переноса самое большое отрицательное напряжение будет на втором затворе, поэтому пакет дырок передвинется в потенциальную яму под вторым затвором секции переноса (рис2, в). При следующих тактах изменения напряжения на затворах секции переноса буде происходить дальней шее продвижение пакета дырок к выходной секции (рис.1, г, д).
Если в потенциальных ямах, подходящих к p-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 p-n- переходу стока, произойдет экстракция этих дырок, и в цепи стока пройдет импульс тока или изменится напряжение на
стоке (рис.1,г).
SiO2
–Uз1
исток
затвор
–Uз2
–Uвх
–Uз3
2
сток
–Uс
p+
p+
а)
Si n - типа
подложка Al
запись “1”
U
остаточный
заряд
х
Uпор
|Uз1|>|Uз3|>|Uз2|
б)
U
перенос “1”
х
Uпор
||Uз2|>|Uз1|>|Uз3|
в)
U
х
Uпор
|Uз3|>|Uз2|>|Uз1|
cчитывание “1”
г)
U
запись “0”
х
Uпор
д)
|Uз1|>|Uз3|>|Uз2|
Рис.1. Структура ПЗС с трехтактным питанием затворов секции переноса а) и такты работы:
б) запись “1”, в) перенос “1”, г) считывание “1”, д) запись “0”
3
2. Параметры приборов с зарядовой связью
ПЗС являются динамическими устройствами и имеют нижний и верхний пределы
тактовых частот. Нижний предел тактовой частоты определяется тем, что между потенциальной ямой у поверхности и остальным объемом полупроводника проходят токи, связанные с тепловой генерацией носителей заряда. Эти токи влиябт 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 до единиц секунд, сдвиг потенциальных ям должен произойти на несколько порядков быстрее. 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. Поэтому верхний предел тактовых частот для ПЗС определяется обычно десятками мегагерц.
В ПЗС неизбежно происходят потери информационного заряда, например за счет
захвата на ловушках. Для устранения этого недостатка используют схемы регенерации,
которые являются усилителями. Считываемый с ПЗС сигнал усиливается с соответствующим формированием его уровней, а затем производится запись информации в цепочку
ПЗС. Для длительного хранения информации цепочку замыкают в кольцо. Регенерация
информационного заряда может быть совмещена с выводом информации, тогда получается прибор с неразрушающим считыванием информации.
3. Применение приборов с зарядовой связью
Запоминающие устройства ЭВМ. По принципу действия ПЗС представляют собой
запоминающие устройства типа линий задержки. Информация непрерывно циркулирует в
таком запоминающем устройстве с регенерацией. При обращении к запоминающему
устройству производится выборка информации с регенерацией или без нее, т.е. с неразрушающим считыванием или с разрушением записанной информации. В режиме хранения
информация циркулирует по прибору относительно медленно при тактовой частоте порядка десятка килогерц, что повышает экономичность устройства. При обращении к запоминающему устройству тактовая частота повышается до предельной – порядка нескольких мегагерц, что обеспечивает быструю выборку записанной информации.
Устройства преобразования изображения в электрические сигналы. При освещении ПЗС в полупроводнике около его поверхности образуются пары 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 освещенности.
Устройства обработки аналоговой информации. С помощью ПЗС могут запоминаться и аналоговые сигналы, но в этом случае становится невозможной регенерация записанной информации. В этом случае ПЗС используются в качестве линий задержки.