Реферат: 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=SзE 0 E д/d – емкость диэлектрика; Sз – площадь затвора.

Для работы ПЗС существенна зависимость поверхностного потенциала от величины зарядового пакета при заданном напряжении затвора (рис. 3). Эта зависимость приблизительно линейная:

фпов= -Qn/Cд.

При постоянном значении Qn поверхностный потенциал возрастает при увеличении напряжении затвора также приблизительно по линейному закону.

Приведенные зависимости позволяют наглядно проиллюстрировать работу ПЗС с помощью гидродинамической модели (рис.4, а-в). В этой модели потенциальная яма отождествляется с сосудом, зарядовый пакет Qn- с жидкостью, заполняющей этот сосуд, поверхностный потенциал, т.е. глубина потенциальной ямы,- с расстоянием h от поверхности жидкости, заполняющий этот сосуд, др верхнего края сосуда . В такой модели между объемом жидкости в сосуде и глубиной h (Qn) его незаполненной части существует линейная зависимость вида, а глубина пустого сосуда h(0) увеличивается пропорционально напряжению затвора. Эта модель используется для пояснения процесса переноса зарядного пакета.

Рассмотрим процесс переноса зарядного процесса в ПЗС с трехактной схемой управления. Временные диаграммы управляющих импульсов для этого случая приведены на рис.5. Пусть в момент времени t1 на затворах, присоединенных к ширине Ф2 , напряжение высокого уровня U’3>Uпор и под вторым и пятым затворами накоплены зарядовые пакеты Qn2 и Qn5 (рис.6), а на затворах, присоединенных к шинам Ф1 и Ф3 – напряжение низкого уровня и под соответствующими затворами нет потенциальных ям и зарядовых пакетов. В момент времени t2 на затворы,соединенные с шиной Ф3 поступает напряжение высокого уровня и под ними практически мгновенно формируются пустые потенциальные ямы. На затворах шины Ф1 сохраняется напряжение низкого уровня.

Для нормальной работы ПЗС расстояние между соседними затворами должно быть достаточно малым, чтобы потенциальные ямы соседних элементов, на затворы которых подано напряжение U’3, сливались в единую потенциальную яму без барьера посередине,. для момента времени t3 >t >t2.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--