Цифрові технології урок 5 Принцип роботи пзз матриці

 Принцип роботи пзз матриці

Процес перенесення сигнального заряду починається в той момент, коли на один з затворів подається імпульс більш високої напруги. Основними типами приладів із зарядовим зв'язком є ​​ПЗЗ з поверхневим каналом та ПЗЗ з прихованим каналом. У ПЗЗ з поверхневим каналом заряди зберігаються і переносяться у межі розділу напівпровідник - діелектрик. У ПЗЗ з прихованим каналом завдяки спеціальному легування підкладки ці процеси відбуваються в товщі напівпровідника на деякій відстані від кордону з діелектриком. Відзначимо також, що при конструюванні конкретних мікроелектронних пристроїв на ПЗЗ (в залежності від їх призначення) застосовуються різні схеми організації тактового харчування і взаємного розташування затворів.

Трифазний n-канальний ПЗЗ в більш детальному вигляді (разом з вхідним і вихідним пристроями) показаний на малюнку. Власне ПЗЗ, або ПЗЗ-регістр, тут складають три пари електродів переносу (затворів), приєднані до шин тактового харчування. Вхідний пристрій, що складається з вхідного діода і вхідного затвора, забезпечує введення сигнальних зарядових пакетів під перший електрод перенесення регістра. Екстракція і детектування зарядових пакетів забезпечуються вихідними затвором і діодом.

Двовимірний масив (матрицю) пікселів отримують за допомогою стоп-каналів, які поділяють електродний структуру ПЗЗ на стовпці. Стоп канали - це вузькі області, формовані спеціальними технологічними прийомами в приповерхневій області, які перешкоджають розтіканню заряду під сусідні стовпці.

З фізичної точки зору ПЗЗ цікаві тим, що електричний сигнал в них представлений не струмом чи напругою, як у більшості інших твердотільних приладах, а зарядом. В основі роботи ПЗЗ лежить явище внутрішнього фотоефекту. Коли, в кремнії поглинається фотон, то генерується пара носіїв заряду - електрон і дірка. Електростатичне поле в області пікселя «розносила» цю пару, витісняючи дірку в глиб кремнію. Не основні носії заряду, електрони, будуть накопичуватися в потенційній ямі під електродом, до якого підведено позитивний потенціал. Тут вони можуть зберігатися досить тривалий час, оскільки дірок в збідненої області немає і електрони не рекомбінують

Найбільш важливою складовою ПЗЗ є приймач світла - двовимірна матриця, що складається з пікселів. Відповідні послідовності тактових імпульсів на затворах такої матриці зміщують її окремі МДП-конденсаторирежім глибокого збіднення, так що зарядові пакети можуть зберігатися під електродами матриці і контрольованим чином переміщатися уздовж поверхні кристала, перетікаючи з-під одних електродів матриці до сусідніх електродів.Вихідні сигнали такої матриці виявляються пропорційними локальної освітленості, що дозволяє визначати яскравість предмета.

Заряд, накопичений під одним електродом, в будь-який момент може бути перенесений під сусідній електрод, якщо його потенціал буде збільшений, в той час як потенціал перший електрод, буде зменшений. Перенесення в трифазному ПЗЗ можна виконати в одному з двох напрямків (уздовж рядків). Всі зарядові пакети лінійки пікселів будуть переноситися в ту ж сторону одночасно.

Процес перенесення сигнального заряду в ПЗЗ визначається трьома основними фізичними механізмами: термічної дифузією, самоіндуцірованним дрейфом і дрейфом в крайових електричних полях.

Для відносно малих зарядових пакетів домінуючим механізмом переносу є термодифузія. У цьому випадку повний заряд, що залишився під електродом, під якого здійснюється перенесення, до моменту часу t від початку переносу експоненціально зменшується з часом.

Стікання відносно великих (порівнянних з повною глибиною потенціальної ями) зарядових пакетів відбувається за рахунок самоіндуцірованного дрейфу, обумовленого простим електростатичним розштовхування інверсійних електронів. Що виникає при цьому поздовжнє (спрямоване паралельно кордоні з окислом) електричне поле пропорційно градієнту поверхневої щільності сигнального заряду. В результаті сигнальний заряд зменшується в часі по гіперболічному законом.

Виявляється, що і в відсутність сигнального заряду під електродом перенесення на кордоні з окислом існує певне поздовжнє електричне поле. Це так зване крайове поле, для обчислення якого необхідно враховувати двовимірний характер розподілу потенціалу в збідненим шарі ПЗЗ-структури, обумовлено впливом потенціалів на сусідніх електродах. Величина крайових полів залежить від товщини шару окисла, довжини електродів, рівня легування і амплітуди тактових напруг. Ясно, що на останніх стадіях процесу переносу, коли залишилася під електродом частина сигнального заряду стає настільки малою, що само індуковане поле виявляється менше крайового, саме останнє визначає динаміку стікання залишилися малих порцій сигнального заряду.

Розглянуті вище механізми перенесення називаються моделлю переносу вільних зарядів. Ця модель справедлива при порівняно високих тактових частотах і дає розумну оцінку граничних тактових частот ПЗЗ, перевищення яких призводить до різкого зниження ефективності переносу. Так, наприклад, для ПЗЗ з довжиною затворів ~ 10 мкм і при типових значеннях решти параметрів для забезпечення ефективності переносу не нижче 99,99% тактова частота не повинна перевищувати декількох десятків мегагерц.

Для того щоб ефективність переносу перевищувала 99,99%, або, щось же саме, щоб неефективність була менше 10-4, тактові частоти не повинні перевищувати декількох десятків мегабіт в 1 с (107Гц). У тих випадках, коли потрібні більш високі тактові частоти, слід використовувати структури з більш короткими електродами. При цьому збільшуються крайові поля, а, отже, і швидкість перетікання заряду.

При малих тактових частотах головним чинником, що визначає працездатність ПЗЗ, є темновий струм приладу.

Низькочастотний завал частотної характеристики обумовлений вбудовуванням додаткового (за рахунок темнового струму) заряду в сигнальні пакети, що, природно, спотворює амплітуду переданих сигналів. Її високочастотний спад обумовлений різким зменшенням ефективності переносу, коли тривалість тактового імпульсу виявляється недостатньою для повного перетікання сигнального заряду-під одного затвора під інший.

Для поліпшення низькочастотних властивостей ПЗЗ слід зменшувати всі компоненти темнового струму, збільшуючи час життя, дифузійну довжину і знижуючи швидкість поверхневої рекомбінації. Для розширення робочого діапазону ПЗЗ в бік високих частот можна зменшувати довжину затвора, використовувати n-канальні структури (оскільки рухливість електронів вище, ніж у дірок) і зменшувати міжелектродний зазор.

В області проміжних тактових частот ефективність переносу сигнального заряду визначається головним чином процесом захоплення сигнальних електронів на поверхневі пастки. Коли сигнальний заряд «входить» уконтакт з порожніми поверхневими пастками, всі вони практично миттєво заповнюються електронами. Після того як цей сигнальний пакет йде під сусідній затвор, захоплені електрони починають генеруватися з пасток в зону провідності. Електрони, захоплені на порівняно дрібні пастки, звільняються досить швидко і встигають наздогнати «свій» сигнальний пакет, в той час як електрони з більш глибоких пасток надходять вже в «чужий» пакет, наступний за першим. В результаті цього процесу, якщо на вхід ПЗЗ подати кінцеву послідовність однакових зарядових пакетів, перші з них підійдуть до вихідного пристрою значно ослабленими, в той час як за останнім ще деяке число тактів буде тягнутися «хвіст» відстав заряду.

Вплив поверхневих пасток на ефективність переносу можна суттєво зменшити, постійно пропускаючи через ПЗЗ-регістр деяку кількість фонового (опорного) заряду - так званий «непорожній нуль». При цьому поверхневі пастки виявляються постійно заповненими електронами з «непорожньої нуля», що значно знижує ступінь їх взаємодії з сигнальним зарядом. Характерна величина заряду такого «непорожньої нуля» зазвичай на практиці становить 10 - 25% повної ємності потенційної ями. Головний недолік такого способу збільшення ефективності переносу полягає у відповідному зменшенні динамічного діапазону приладу.

Найпростіші з улаштування ПЗЗ складаються з електродної структури, обложеної прямо на шар ізолятора, сформованого на поверхні пластини однорідно легованого р-кремнію. Заряд накопичується і переноситься безпосередньо в приповерхневому шарі напівпровідника. Такі прилади називаються ПЗЗ з поверхневим каналом. Для поверхневого шару характерна велика кількість дефектів, що негативно впливає на ефективність переносу зарядів. Заряди захоплюються на дефектах поверхневого шару і повільно вивільняються. Це призводить до розмазування зображення. Дефекти поверхневого шару можуть також спонтанно емітувати заряди, приводячи до збільшення темнового сигналу (струму). Поверхневі стани є чинником, що обмежує працездатність ПЗЗ. Повністю позбавитися від поверхневих станів неможливо, але можна значно поліпшити характеристики приладу, зберігаючи й передаючи зарядові пакети на деякому віддаленні від поверхні кристала, тобто сформувавши об'ємний канал переносу. Цього результату можна досягти, якщо на підкладці р-типу створити під окислом тонкий n-шар. Подібні прилади називаються ПЗЗ з об'ємним каналом. Аналогічні міркування справедливі і щодо конструкції вихідного підсилювача, тому поверхневі дефекти можуть дуже сильно збільшувати шум підсилювача. Вихідний підсилювач з об'ємним каналом має значно кращі характеристики.

Під час експозиції, тривалість якої регулюється за допомогою механічного затвора, кожен піксель поступово заповнюється електронами пропорційно кількості потрапив на нього світла.

По закінченні зйомки стовпці з накопиченими в пікселях електронами починають зрушуватися до краю матриці, де знаходиться аналогічний вимірювальний стовпець. У ньому заряди зсуваються вже в перпендикулярному напрямку і потрапляють на вимірювальний елемент, створюючи в ньому мікроструми, пропорційні цим зарядам. Таким чином, для кожного наступного моменту часу ми можемо отримати значення накопиченого заряду і визначити, якому пікселю на матриці (номер рядка та номер стовпця) він відповідає. Ці дані по проводах надходять в комп'ютер, на екрані якого відновлюється зображення об'єкта, знімки якого потім можна обробити і зберегти як файл. У цифрових пристроях на ПЗЗ сигнальний заряд певної величини відповідає 1, а порожня яма 0.

Вся ця непроста технологія може бути наочно проілюстрована за допомогою елегантної аналогією, запропонованою Джеромом Крістіаном (Інститут Карнегі у Вашингтоні). Припустимо, вам необхідно виміряти кількість і розподіл опадів, що випали з дощем на деякий експериментальний ділянку. Для вирішення цього завдання можна сконструювати пристрій, що перекриває ділянку ємностями для води, і з його допомогою після закінчення дощу приступити до вимірювань. Включення транспортерних стрічок призведе до того, що вода з наповнених верхніх рядів ємностей почне переливатися в порожні нижні і далі у вимірювальну ємність. Вимірюючи кожен раз кількість додатково надійшла води, ми зможемо розрахувати і намалювати картину розподілу кількості опадів, що впали на різні частини нашої ділянки. Практично точно так само працює і матриця ПЗЗ, тільки в цьому випадку дощовими краплями є фотони.