§ 4.7. Преобразователи изображений на базе ППЗ-структур

Линейные и матричные преобразователи. В конце 60-х годов появились новые устройства — приборы с переносом заряда (ППЗ). Они нашли широкое применение в электронике как устройства памяти, обработки цифровой и аналоговой информации, мультиплексирования сигналов и др., однако наибольший эффект был получен при использовании ППЗ - структур в качестве преобразователей изображений [13].

Основой любого преобразователя на базе ППЗ является конденсатор со структурой металл — окисел — полупроводник (МОП - конденсатор). Именно он является элементом, способным хранить информационные пакеты зарядов, образуемые под воздействием света или путем инжекции через -переход. Цепочка из связанных друг с другом МОП - конденсаторов обладает способностью под воздействием управляющих напряжений передавать пакеты зарядов на выход, где они преобразуются в выходной сигнал изображения.

К достоинствам ФЭП на базе ППЗ - структур следует отнести:

возможность непосредственного преобразования светового потока в пакеты зарядов и их хранения;

способность направленной передачи пакетов зарядов и преобразования их в сигнал изображения;

высокое быстродействие;

высокую плотность компоновки, малые потребляемую мощность и габариты;

высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям и электромагнитным воздействиям, надежность и большой срок службы.

Принцип действия ППЗ-преобразователей. Активной ячейкой, осуществляющей преобразование светового потока в электрический заряд, является МОП - конденсатор. На рис. 4.20 показана такая ячейка, включающая в качестве основы подложку 4 из кремния -типа. Путем термического окисления на ее поверхности формируется слой оксида 3, на который наносится металлический электрод 2. Если на электрод 2 подать положительное напряжение относительно подложки 4, то под действием электрического поля под этим электродом образуется зона, обедненная основными носителями заряда (штриховая линия на рис. 4 20), в рассматриваемом случае — для дырок [13] Соответствующая энергетическая диаграмма МОП - структуры приведена на рис. 4.21, а. По вертикальной оси отложена полная энергия электронов (с учетом потенциальной энергии электронов в электрическом поле), а по

горизонтальной — геометрическая координата х в направлении металл — оксид — полупроводник, поверхностный потенциал. В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей заряда — электронов, образуемых в результате фото или термоэлектронной эмиссии. Энергетическая диаграмма по мере накопления неосновных носителей изменяется: величина уменьшается, как показано на рис. 4.21, б. Таким образом, если ячейка освещена, то у поверхности полупроводника образуются пары носителей заряда электрон — дырка. Электроны заполняют потенциальную яму, причем заряд, накопленный за определенное время, пропорционален освещенности.

Распространение области потенциальной ямы вдоль границы раздела полупроводник — оксид ограничивается областями полупроводника -типа со степенью легирования на несколько порядков выше, чем в основной массе подложки, так называемыми областями стоп - диффузии (см. рис. 4.20). В областях стоп диффузии поверхностный потенциал на границе раздела оксид — полупроводник близок нулю.

Рис. 4 20. Элементарная ячейка МОП - структуры

Рис. 4 21. Энергетическая диаграмма МОП - структуры для трех состояний

Характер накопления заряда в накопительной ячейке МОП - конденсатора иллюстрируется рис. 4.22, где показано, как изменяется поверхностный потенциал (в относительных единицах) по мере накопления заряда На том же графике приведена зависимость ширины обедненного слоя от накопленного заряда [13]. Характер зависимостей от определяется физическими

характеристиками материала и конструкцией МОП - конденсатора, в частности концентрацией легирующей примеси и толщиной слоя оксида.

Рис. 4.22. Характеристика накопления МОП конденсатора

Уточним механизм накопления заряда в ячейке МОП - конденсатора с учетом изменения потенциала во времени. Процесс образования потенциальной ямы начинается после подачи на металлический электрод МОП - конденсатора положительного потенциала. Накопление заряда в потенциальной яме происходит и при отсутствии освещения за счет тепловой генерации неосновных носителей.

В зависимости от температуры и свойств материалов МОП - конденсатора максимальный заряд в ячейке под действием тепловых процессов может образоваться за время от сотых долей до единиц секунд. Если ограничить максимальное значение заряда, возникающего под действием тепловой генерации (уровень логического нуля), то можно определить максимальное время накопления заряда в ячейке, т. е. определить нижний предел рабочих частот накопительной ячейки. В реальных приборах при комнатной температуре обычно его устанавливают равным единицам — десяткам килогерц.

Рассмотрим принципы формирования ППЗ - линеек и ППЗ - матриц, а также механизм считывания накопленных зарядов, реализованный в этих приборах.

На рис. 4.23 показана линейка из МОП - конденсаторов, выполненных на общей подложке. Расстояние между электродами настолько мало, что обедненные области при подаче на электрод положительного потенциала простираются практически до соседних электродов. На рис. 4.23 это показано условно штриховой линией — значение поверхностного потенциала на соответствующем участке структуры для различных моментов времени.

Рассматриваемая линейка представляет собой трехфазную структуру, электроды которой соединены между собой через два. Как видно из рис. 4.23, д, потенциалы электродов изменяются с циклической последовательностью. Зарядовый пакет (на рис. 4-23 показан штриховкой), который за время накопления формируется под электродом после подачи на соседний электрод положительного потенциала (рис. 4.23, б, в) перемещается под электрод Если потенциал электрода уменьшается до исходного (близкого нулевому) значения, то зарядовый пакет полностью переместится под электрод (рис. 4 23, г). Аналогично зарядовый пакет может быть смещен под электрод и т. д. Цикличность изменения

потенциалов электродов обеспечивает процесс перемещения зарядовых пакетов в направлении, указанном на рис. 4-23, а стрелкой. В рассматриваемом случае предполагается, что во время переноса зарядовых пакетов вдоль структуры освещение (накопление заряда) снимается.

Рис. 4.23. Линейка из МОП - конденсаторов (а); диаграммы напряжения для различных моментов времени (б-г) и временные диаграммы (д)

Рассмотренная структура может быть использована для формирования сигнала изображения одной строки. Элементу изображения, как нетрудно видеть, соответствует ячейка из трех МОП - конденсаторов. Соседние пакеты зарядов, сформированные в процессе накопления (например, путем импульсной проекции изображения), изолированы друг от друга потенциальными барьерами электродов, находящихся под низким напряжением. Канал переноса зарядов ограничивается областями стоп - диффузии.

Быстродействие ППЗ - структур ограничивается временем переноса заряда из одной накопительной ячейки в другую, которое достигает единиц наносекунд. Поэтому максимальные тактовые частоты для ППЗ - структур составляют десятки или сотни мегагерц. Таким образом, указанные диапазоны работы ППЗ - структур обеспечивают успешное их применение в ТВС с параметрами вешательного стандарта.

В отличие от идеализированных механизмов передачи зарядовых пакетов вдоль структуры в реальных условиях заряд пакета по мере передачи его вдоль структуры не остается неизменным. Одна из основных причин этого явления состоит в захвате носителей заряда поверхностными энергетическими уровнями. Для количественной оценки эффективности переноса зарядовых пакетов используют показатель эффективности передачи заряда — неэффективность переноса где — полезный заряд (общий заряд за вычетом

заряда логического нуля) в ячейках структуры. Для ППЗ - структур Частотная зависимость неэффективности переноса приведена на рис. 4.24.

Рис. 4.24. Частотная зависимость коэффициента неэффективности переноса

Рис. 4.25. Двухфазная структура

Одним из эффективных способов уменьшения потерь в процессе переноса заряда является создание структур с объемным каналом. В таких устройствах на границе полупроводник — оксид создается эпитаксиальный или ионнолегированный приповерхностный слой кремния, тип проводимости которого противоположен типу проводимости подложки. Это приводит к тому, что максимум потенциала в потенциальной яме находится не на поверхности полупроводника, а на некоторой глубине (см. рис. 4.21, в). В результате носители заряда движутся не вблизи поверхности, а на некоторой глубине, что приводит к существенному снижению потерь на захват носителей. На рис. 4.21, в показана энергетическая диаграмма при подаче напряжения смещения.

Направленный перенос зарядовых пакетов можно создать не только в трехфазной ППЗ - цепочке, но и в двухфазной. Для этого необходимо обеспечить условия формирования асимметричной в направлении продвижения зарядовых пакетов потенциальной ямы. Существует несколько способов формирования асимметричных потенциальных ям, один из них поясняется рис. 4.25 [13]. Здесь толщина диэлектрика между полупроводником и электродом неодинакова в направлении перемещения зарядовых пакетов. Это приводит к различию поверхностных потенциалов под толстым и тонким слоями диэлектрика. Это видно из диаграммы распределения поверхностного потенциала для где накопленный заряд концентрируется под правой частью электрода (сплошная линия показывает примерную картину распределения поверхностного потенциала перед накоплением). После переключения напряжения на электродах (штриховая линия) накопленный заряд смещается на один шаг вправо. Переключая периодически потенциалы и можно обеспечить направленное перемещение зарядовых пакетов.