14.3.7. Матрицы фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС)

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рис. 14.27 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП‑структур. Величина зазора между соседними МДП‑структурами невелика и составляет 1–2 мкм. ПЗС‑элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы, и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому. На рис. 14.27 показан принцип работы трехтактного прибора с зарядовой связью [42, 53].

 

Рис. 14.27. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью

Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения V_G1 на затвор 1‑го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р‑типа это соответствует формированию под затвором 1‑го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τ_ген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС‑элементах должны проходить за времена меньше τ_ген.

Пусть в момент времени t₁ >> τ_ген в ОПЗ под затвор 1‑го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 14.23, б). Теперь в момент времени t₂ > t₁, но t₂ << τ_ген на затвор 2‑го ПЗС‑элемента подадим напряжение такое же, как и напряжение на первом электроде (рис. 14.23, в). В этом случае информационный заряд перераспределится между двумя этими электродами. Затем напряжение на втором электроде увеличим, а на первом уменьшим, V_G2 > V_G1, что способствует формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2‑го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1‑м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рис. 14.23, в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2‑го ПЗС‑элемента, напряжение на затворе V_G1 снимается, а на затворе V_G2 уменьшается до значения, равного V_G1 (см. рис. 14.23, д). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется, и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС‑элемента.

Для того чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи t_пер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (t_пер << τ_ген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП‑структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (N_ss ≈ 10¹⁰ см^-2·эВ^-1) [58,  88].

Приборы с зарядовой связью реализуются в виде матриц размерностью, кратной 2ⁿ. Типичный размер для матрицы емкостью 5 мегапикселов составляет 2048 × 2048 элементов. На рис. 14.28 приведена схема ПЗС‑матрицы с регистрами сдвига, обеспечивающими считывание информационного заряда с индивидуальных элементов – пикселов.

 

Рис. 14.28. ПЗС-матрица с регистрами сдвига, обеспечивающими считывание информационного заряда с индивидуальных элементов – пикселов

Основное применение матрицы элементов с зарядовой связью нашли в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах. На рис. 14.29 показаны цифровые видеокамера и фотоаппарат, использующие ПЗС-матрицы в качестве входного регистрирующего устройства.

 

Рис. 14.29. Цифровые видеокамера и фотоаппарат, использующие ПЗС-матрицы в качестве входного регистрирующего устройства

 

Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение их габаритов и веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в эксплуатации позволили применять их не только в профессиональных студиях, в научных исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. В настоящее время телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях производства, сфере услуг, сервиса, в системах охраны. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами пиксела в несколько микрон способствует использованию ПЗС-телекамеры в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике, серийное производство ПЗС-матриц осуществляется компаниями Texas Instruments, Ford Aerospace, Sony, Panasonic, Samsung, Hitachi, Kodak.

Среди российских производителей – научно-производственное предприятие «Электрон – Оптроник»  и НПП  «Силар» из Санкт-Петербурга, являющийся единственным в России производителем ПЗС-матриц, применяемых в научных и коммерческих целях. В качестве примера российской продукции приведем специализированную матрицу ПЗС марки ISD-077, в которой число элементов составляет 1040 при размере ячейки 16 × 16 мкм с общей площадью фоточувствительной поверхности 16,6 мм², частотой считывания 10 МГц и эффективностью переноса заряда 0,99999. На ее базе разработана малокадровая цифровая 14‑разрядная ПЗС‑камера S2С/077, укомплектованная охлаждаемым ПЗС типа ISD-077APF с волоконно-оптическим входным окном. ПЗС-камера предназначена для регистрации изображений в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах при низких уровнях освещенности в астрономии, медицине, биологии, при проведении научного эксперимента.