Л Е К Ц И Я 3
"Многоэлементные фотоприемники на основе приборов
с зарядовой связью для телевизионной съемочной аппаратуры
систем космического наблюдения".
Основным типом фотодетекторов, используемых в телевизионных системах наблюдения из Космоса, являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗС). Высокая степень интеграции, высокая чувствительность, удобство управления обеспечивает этим фотоприемникам широкое распространение в различных наземных и космических системах. Рассмотрим коротко основные принципы организации и работы приборов с зарядовой связью.
Основы физики работы ПЗС.
Первые ПЗС появились около 30 лет назад, когда В. Бойл и Д. Смит показали на примитивном "прародителе" современных ПЗС, что между близко расположенными МОП - конденсаторами возможен обмен зарядами – зарядовая связь. Манипулируя смещениями, прикладываемыми к таким МОП – конденсаторам, можно накапливать заряды, перемещать их, разделять, объединять, т.е. осуществлять аналоговую и цифровую обработку информации на дискретных элементах. Первые ПЗС насчитывали всего 7 МОП - конденсаторов, а в современных число элементов может составлять 16 миллионов и более. Столь внушительный прогресс объясняется несколькими причинами: Во-первых, сам принцип зарядовой связи весьма привлекателен своей простотой: информация в ПЗС передается непосредственно зарядами без промежуточного преобразования заряда (тока) в потенциал и обратно, при этом обеспечивается наиболее точное преобразование информации. Во-вторых, ПЗС, обладают очень большой функциональностью. С момента появления ПЗС им прочили три основных направления применения: преобразование оптического излучения в электрический сигнал – фоточувствительный сигнал; аналоговую обработку информации (линии задержки, фильтры); запоминающие устройства.
Наибольшее развитие получило первое направление, связанное с конструктивно-технологические особенности ПЗС таковы, в них легко достичь очень высокой степени интеграции, так как, например фоточувствительные ПЗС, представляют собой регулярный массив, сравнительно простых по топологии элементов, к которым ненужно изготавливать индивидуальные контакты.
Фоточувствительные ПЗС нашли применение в аппаратуре широкого спектра: в промышленных и бытовых ТВ-камерах, охранных системах, робототехнических комплексах и системах технического зрения, прецизионных измерителях координат, сборочном оборудовании, оптических и радиотелескопах, системах ввода графической информации в ЭВМ (сканеры); в бортовой космической съемочной телевизионной аппаратуре.
П ри всем многообразии ПЗС их основой является МОП-емкость.
На рисунке показана МОП-емкость, сформированная на полупроводнике р-типа (возможно и на n-типе). МОП-емкость состоит из электрода, который может быть изготовлен из металла или сильнолегированного поликремния (в этом случае электрод имеет достаточно хорошую прозрачность), диэлектрика и полупроводниковой подложки. Обычно подложкой служит монокристаллический кремний (Si), диэлектриком в большинстве случаях термически выращенный диоксид кремния SiO2 с нитридом кремния (Si3N4). Толщина слоя диэлектрика мала и составляет 0,05 – 0,1 мкм. При большой толщине диэлектрика поле будет слабо проникать в подложку и управление свойствами ПЗС затрудняется.
Рассмотрим основные свойства идеальной МОП-емкости в состоянии термодинамического равновесия. При любых смещениях на электроде существуют только заряд в полупроводнике и равный ему, но противоположный по знаку заряд на электроде (в идеальной структуре заряд в диэлектрике равен нулю), работы выхода электронов из металла электродов и полупроводника равны, отсутствует перенос носителей заряда через диэлектрик (при постоянном смещении).
Следствием первых двух условий является состояние плоских зон: энергетические зоны полупроводника при отсутствии смещения не изгибаются у поверхности раздела. Реальная МОП-емкость отличается от идеальной хоты бы тем, что в диэлектрике есть встроенный заряд, который приведет к изгибу зон уже при нулевом смещении.
В полупроводнике р-типа с объемной концентрацией акцепторов NА уровень Ферми находится между серединой запрещенной зоны и верхом валентной зоны. Потенциал ΨF , соответствующий уровню Ферми, равен:
 ,
где ni – концентрация носителей в собственном полупроводнике.
При NА = 6·1014 см-3 (удельное сопротивление р-Si 20 Ом·см) ΨF ≈ 0,25 В. Потенциал ΨF отсчитывается от середины запрещенной зоны, если уровень Ферми лежит ниже середины (р-тип), то ΨF < 0, если выше (n-тип), - ΨF > 0.
В зависимости от поданного на электрод МОП-емкости смещения могут существовать три различных состояния:
Состояние аккумуляции или обогащения.
Если электрод смещен относительно подложки отрицательно на некоторую величину UЭ. Это означает, что на границе электрод-диэлектрик находится отрицательный заряд, а в полупроводнике индуцируется равный ему положительный заряд, образованный дырками, которые поступают в подложку из внешней цепи. Дырки мгновенно (за время 10-12 с) собираются у границы раздела п/п – диэлектрик, формируется тонкий слой высокой проводимости (р+). На зонной диаграмме этому соответствует приближение верха валентной зоны к уровню Ферми в близи границы раздела, т.е. зоны у поверхности изгибаются в вверх. Толщина слоя аккумуляции очень мала и при UЭ = -10 В составляет около 0,8 нм, а концентрация дырок у поверхности раздела ≈1018 см-3, т.е. на 4 порядка больше, чем в объеме.
Состояние обеднения.
П ри небольшом положительном смещении заряд на электроде оттолкнет аккумулированные у поверхности дырки и связанные с ними изгиб зон вверх исчезнет. Зоны опустятся к низу, пройдут состояние плоских зон и прогнутся. Не экранируемое более дырками поле сможет проникнуть глубоко в подложку. Смещение на электроде при обеднении уже не приходится целиком на диэлектрик, как это было при аккумуляции, а делится между диэлектриком и обедненным слоем. Зависимость между поверхностным потенциалом φпов и приложенным к электроду смещением UЭ имеет вид:
 ,
где СД – емкость диэлектрика; εn – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Полная емкость МОП-структуры в режиме облучения поверхности основными носителями определяется емкостью диэлектрика и обедненного слоя
 .
Состояние инверсии.
При большом положительном смещении на электроде, энергетические зоны в полупроводнике всё круче изгибаются книзу и в какой-то момент середина запрещенной зоны совпадает (φпов = ΨF), а затем и пересечет уровень Ферми (φпов >ΨF). Это соответствует тому, что у поверхности полупроводник р-типа инвертирован в полупроводник n-типа. Объемная концентрация электронов становится сравнимая с концентрацией дырок. Электронов сначала не много, т. к. они не основные носители. Но с течением времени они накапливаются в количестве достаточном для инверсии. Различают слабую (φпов = ΨF) и сильную инверсии (φпов = 2ΨF). При φпов = 2ΨF поверхностная концентрация не основных носителей (электронов) ровна исходной концентрации основных (дырок). При инверсии возникает тонкий слой электронов у поверхности, а далее обедненный слой. Максимальная толщина обедненного слоя при сильной инверсии составляет
Пороговое напряжение Uпор, т.е. смещение на электроде, при котором начинается сильная инверсия
В реальных Si МОП-структурах есть существенные отличия от идеальных рассмотренных выше: имеются поверхностные ловушки и заряды в окисле, а также различие в работе выхода n/n и металла диэлектриков (поликремния). Поверхностные ловушки возникают из-за того, что на границе Si – SiO2 нарушается пространственная периодическая структура кристаллической решетки. Плотность поверхностных ловушек (состояний) зависит от метода окисления и может быть снижена дополнительной обработкой, заполняющей обратные связи. (Например, отжигом в среде водовода).
В любом ПЗС используется МОП-структура, находящаяся в нестационарном состоянии. В состоянии сильной инверсии приповерхностной слой электронов формируется не сразу (в отличии от слоя дырок при аккумуляции). Единственным источником электронов являются процессы генерации носителей на поверхности и в объеме полупроводника. От момента подачи смещения и до момента формирования инверсного слоя МОП-емкость находится в нестационарном состоянии.
В полупроводнике при температурах, отличных от абсолютного нуля, идут процессы тепловой генерации электронно-дырочных пар. В обедненной области МОП-структуры пары разделяются электрическим полем и электроны скатываются в потенциальную яму у поверхности. По мере накопления электронов у поверхности, поверхностный потенциал и толщина обедненного слоя уменьшаются. В конце концов, останется один обедненный слой толщиной около 1 нм, а потенциальная яма перестанет существовать, т.к. её заполняет электроны. Темновая генерация в ПЗС считается паразитным явлением, и её всячески стараются уменьшить, с тем, чтобы увеличить длительность нестандартного состояния МОП-структуры, в течении которого потенциальную яму можно заполнить полезным сигналом.
В фоточувствительных ПЗС источником полезного сигнала являются электроны, генерируемые под действием света, в количестве пропорциональном количеству поглощенных фотонов. При этом электроны могут попадать в потенциальную яму двумя способами: генерироваться в обедненном слое (т.е. в самой яме) и за счет дрейфа из нейтрального объема n/n. Второй процесс существенно менее влиятелен но, тем не менее, в ряде случаев им нельзя пренебрегать.
Размещаемый в потенциальной яме информационный заряд Qинф называют зарядовым пакетом. Зарядовый пакет в фоточувствительных ПЗС формируется постепенно, в течении времени накопления. Величина зарядового пакета пропорциональна количеству носителей, генерируемых поглощенными фотонами, и времени в течении которого на электроде поддерживается обедняющее смещение. Обычно разделяют время накопления, которое связано с фотонной генерацией и время хранения, в течение которого яма пополняется только за счет тепловой генерации (тепловой ток). Максимальное время накопления и хранения определяются, в основном, процессом термогенерации. Поэтому, для реализации больших времен накопления ПЗС стремятся охлаждать.
В  рассмотренной выше МОП-емкости зарядовый пакет образован поверхностными электронами, локализованными в тонком слое у поверхности раздела диэлектрик-полупроводник. Несовершенство границы раздела (ловушки и поверхностные состояния) приводит к естественному желанию отодвинуть потенциальную яму от поверхности в объем полупроводника. Для смещения максимума потенциала в объем было предложено создать у поверхности неглубокий слой с противоположным подложке типом проводимости. Такая структура показана на рисунке. В подложке р-типа сформулирован слой n-типа толщиной 0,5 – 5 мкм, внутри которого образуется слой основных носителей, обычно называемый объемным или скрытым каналом. Если на электрод и сток канала подать положительные смещения, то в зависимости от соотношения их величин могут быть получены разные профили потенциала в объеме. Важно, что при смещении на стоке большем, чем смещение электрода поверхностная часть канала обеднится, а при еще большей разнице произойдет полное обеднение канала, а максимум потенциальной ямы будет лежать в глубине канала. Физически это означает, что там же в глубине, вдали от поверхностных ловушек, будут накапливаться электроны. Распределение потенциала в объемном канале показано на рисунке. Такие МОП-структуры с объемным каналом используются во всех современных ПЗС.
Зарядовая связь
Если две МОП-емкости сблизить так, чтобы между ними был минимальный зазор (0,2 – 1 мкм), либо его вообще не было, можно организовать передачу (перенос) накопленного под одним электродом зарядового пакета под другой электрод. Это и есть зарядовая связь, основная идея ПЗС – т.е. перенос заряда последовательно по цепочке МОП-конденсаторов. На рисунке показаны две близко расположенные емкости. На электроды подается импульсное смещение с периодом Т и двумя уровнями высоким (вершина) и низким (нижним).
Е сли в начальный момент на левый электрод подан высокий уровень, то под ним образуется глубокая потенциальная яма, в которую тем или иным способом может быть помещен заряд (зарядовый пакет). Важно, что дно левой потенциальной ямы ниже, чем правой. Далее происходит переключение левого электрода с высокого уровня на низкий, а правого с низкого на высокий. В результате этого дно правой ямы окажется ниже, чем левой и заряд из под левого электрода будет перетекать под правый. На рисунке показаны различные стадии этого процесса, связанные с различными механизмами переноса зарядов: самоиндуцированного дрейфа, дрейфа под действием краевого поля и тепловой диффузии носителей заряда. Обычно в ПЗС для демонстрации перетекания зарядов используется, удобная в понимании гидравлическая модель.
Для оценки полноты переноса заряда используют понятие эффективность переноса () – отношение заряда, успевшего за период тактирования Т перетечь под второй электрод к величине заряда, находившегося под первым электродом.
Под неэффективностью понимают величину ε=1-η. Если не эффективность велика, после многократных переносов от зарядового пакета ничего не останется. Поэтому у современных ПЗС η ≈ 0,99998 и лучше. Что обеспечивает несколько тысяч переносов практически без потерь заряда.
Сдвиговый регистр с зарядовой связью.
Зная, как происходит накопление заряда в МОП-емкости и перенос зарядового пакета между двумя МОП-емкостями, связанными зарядовой связью нетрудно перейти к цепочке из многих, связанных МОП-емкостей, т.е. сдвиговому ПЗС-регистру. На рисунке показана структура сдвигового регистра, каждый элемент которого образован тремя электродами. Одноименные электроды всех элементов соединены шинами, образуя фазовые электродные системы (фазы). Такая структура называется трехфазной. Последовательно чередуя подачу высокого и низкого уровня на фазы (электроды) можно добиться передачи накопленных зарядных пакетов по цепочке вдоль регистра, как это показано на рисунке. При этом важно заметить, что при каждом импульсном переключении уровня фаз перенос зарядовых пакетов происходит одновременно из-под всех одноименных электродов (одной фазы) под другие одноименные электроды, например, как на рисунке вправо. Из-под электродов 2-й фазы, под фазу 3, а затем под фазу 1. Далее все идет циклически.
Т рехфазный сдвиговый регистр отличается простейшей структурой, а также очень прост в изготовлении. Главная его особенность состоит в том, что направленность переноса создается индуцированными потенциальными барьерами, которые образуются в каждом элементе со стороны противоположной направлению переноса. То же самое характерно и для 4-х фазных регистров, см. рисунок, а также более многофазных структур, которые иногда встречаются. Индуцированный потенциальный барьер создается путем внешнего переключения, что усложняет тактовую диаграмму.
А  льтернативу представляет конструкция ПЗС-регистра со встроенными потенциальными барьерами, т.е. барьерами, созданными технологическим способом. Асимметричное распределение потенциала можно получить либо изменением толщины диэлектрика, либо неоднородным распределением примеси под электродами. На рисунке показана организация и перенос заряда в двухфазном регистре с ионно - имплантированными барьерами. Такие двух-фазные ПЗС приборы получили очень широкое распространение.
Д  ля ограничения областей направленного переноса в сдвиговом ПЗС-регистре необходимы стоп-канальные области. Эти области препятствуют растеканию зарядов в стороны, т.е. в направлении перпендикулярном направлению переноса. Обычно стоп-канальные области образуются легированием подложки примесью того же типа проводимости, но очень высокой концентрации, при этом состояние обедненного в этих областях не наступает. Геометрия стоп-областей и электродов определяет направление движения зарядовых пакетов по горизонтали и вертикали в матричных двух-координатных ПЗС, например как это показано на рисунке справа.
Основным способом ввода полезного электрического сигнала в фоточувствительные ПЗС является генерация носителей при попадании в подложку фотонов, прошедших через полупрозрачные электроды ПЗС. Тем не менее, в ряде случаев при использовании ПЗС в качестве коммутаторов сигналов используется и электрические способы ввода заряда. Для электрического ввода используются p-n переходы, смещенные в прямом направлении. Некоторые варианты входных устройств, обеспечивающие управляемое введение зарядовых пакетов в ПЗС показаны на рисунке. Для обеспечения низко шумящего ввода требуется применение дополнительных электродов между входным диодом, затвором и фазами ПЗС-регистра.
Для того, чтобы преобразовать зарядовые пакеты в изменение тока или напряжения в ПЗС имеются выходные устройства, которые согласуются с внешней нагрузкой, усиливает сигнал и осуществляют подавление тактовых помех, а в ряде случаев и геометрического шума. В основном применяется способ детектирования выходного сигнала по изменению плавающего потенциала. Плавающий потенциал устанавливается либо на МОП-емкости (выходные устройства с плавающим затвором "ПЗ2), либо на p-n переходе (выходные устройства с плавающей диффузионной областью "ПДО").
Н а рисунке показана работа простейшего выходного устройства с плавающей диффузионной областью. Область ПДО расположена рядом с электродами ПЗС регистра и отделена от него выходным затвором. В начальный момент цикла считывания ПДО заряжается от другой диффузионной области, на которую подано положительное смещение. Соединение осуществляется через открываемый на короткое время проводящий канал транзистора сброса (МОП-транзистора). После того как ПДО заряжена от источника Е, транзистор сброса запирается, а ПДО остается изолированной. Приход зарядового пакета в плавающую диффузионную область вызывает изменение её потенциала, равное величине заряда деленной на емкость ПДО и присоединенного к ней затвора транзистора VTвых. Изменение потенциала на затворе транзистора VTвых изменяет ток, протекающий через него, т.е. на выходе появился импульс тока, амплитуда которого пропорциональна величине накопленного зарядового пакета. После этого цикл считывания повторяется. На практике для уменьшения наводки и шумов, увеличения быстродействия применяют двух и трех-каскадные выходные устройства.
|
Скачать 1.12 Mb.