Приборы с зарядовой связью реферат

Обновлено: 17.05.2024

Прибор с зарядовой связью, ПЗС (англ. Charge-coupled device, CCD) — представляет собой устройство для движения электрического заряда, как правило внутри системы к устройству, где можно проводить какие-то манипуляции с зарядом, например, оцифровывать его. Это достигается путем переноса сигналов поэтапно внутри устройства. Часто в устройство интегрирован датчик изображения, который производит сигнал, который затем может быть чтением. В результате этого ПЗС стали основой для создания CCD (ПЗС) матриц. Приборы используются для детектирования света (фотометрия), а также в медицинских и профессиональных целях, где требуются изображения с высоким разрешением.

Преимущества ПЗС

Использование ПЗС для фотометрии стало по сути уникальным. Во-первых, это — двумерный приемник и одновременно с исследуемым объектом астрономы получают данные о большом количестве соседних звезд, которые нужны для калибровки светимости. Поскольку матрица изготовлена ​​на основе крепкого кремниевого кристалла, ее временные параметры достаточно стабильны. Очень важна и замечательная линейность ПЗС. Другими словами, число электронов, накопленное в пиксели, точно пропорционально числу фотонов, полученных от светила, в отличие от фотоэмульсий и телевизионных детекторов типа видикон. Удобство ПЗС для фотометрии становится очевидной в связи с возможностью учесть локальные технологические неоднородности в чувствительности отдельных пикселей при построении матрицы. На практике это исправляется с помощью техники флэт-поля.

Принцип работы ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: к кремниевой подложки p — типа добавляются каналы из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния покрытые изолирующим слоем из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обедненной зоне под каналом n-типа создается потенциальная яма, которая предназначена сохранять электроны. Фотоны, проникающих в кремний, приводят к генерации электронов, которые привлекаются потенциальной ямой и остаются в ней. Чем ярче свет — тем больше фотонов, а следовательно и больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, называется фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые превращают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия является аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующий и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая называются параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и представляет собой устройство, называется ПЗС-матрицы.

Спектральная чувствительность ПЗС

Область спектральной чувствительности ПЗС приемников занимает значительную часть оптического диапазона, от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Для ИК излучения с длиной волны больше 1100 нм энергии одного кванта недостаточно чтобы перевести один электрон в возбужденное состояние. Для ИК излучения структура металл-оксид-полупроводник прозрачная. При использовании ПЗС в фотометрии особенно популярный диапазон 400 — 1050 нм. В максимуме спектральной чувствительности ПЗС матрицы имеют квантовый выход около 90%, а в среднем во всем диапазоне спектра чувствительность достигает 50-60%. Тогда как квантовая эффективность популярного советского фотоэлектронного умножителя ФЭУ-79 составляет всего 9%.

Применение ПЗС в астрономии

С английского flat — это площадка, уровень, плоский. Идея следующая: в рабочей комбинации матрица + телескоп получают фотографию равномерно серого поля (это может быть просто лист белой бумаги, освещенный рассеянным светом, или участок ночного неба без звезд). В дальнейшем компьютер может учесть перепады яркости на поверхности кадра, и подкорректировать конечный снимок. Кроме того большим преимуществом использования такого режима является возможность учета неправдоподобных фотометрических неоднородностей, которые вносит оптическая система телескопа.

Изобретён У. Бойлом (W. Boyle) и Дж. Смитом (G. Smith) в 1969 году. В 2009 году создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.

Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

(ПЗС) - интегральная схема, представляющая собой совокупность МДП-структур, сформированных на общей полупроводниковой подложке т. о., что полоски электродов образуют линейную или матричную регулярную структуру. Расстояния между соседними электродами столь малы, что существенным становится их взаимовлияние вследствие перекрытия областей пространственного заряда вблизи краёв соседних электродов (рис. 4.7).


Рис. 4.7. Структура прибора с зарядовой связью (фрагмент): 1- кристалл кремния; 2 - вход - выход; з- металлические электроды; 4- диэлектрик.

В ПЗС осуществляется направленная передача зарядов от электрода к электроду путём манипуляции электрическими напряжениями на этих электродах. Заряды в ПЗС вводятся электрическим (инжекцией) или фотоэлектрическим способами. Основные функциональные назначения фоточувствительных ПЗС - преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации. Используются термины "прибор с переносом заряда" (ППЗ) и "фоточувствительный прибор с зарядовой связью" (ФПЗС). ПЗС изготовляют на основе монокристаллического кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрическая плёнка диоксида кремния . Этот процесс осуществляется т. о., чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник - диэлектрик и мин. концентрацию рекомбинационных центров на границе. Электроды отд. МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП элементов 500-2000 в линейном и 10 4 – 10 6 в матричном ПЗС; площадь пластины ~ 1см 2 . Под крайними электродами каждой строки изготовляют p- n переходы, предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом (инжекция p- n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегиров. поликристаллич. кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-облас-тях спектра. Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рис. 4.8.


В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения Uxp, оттесняющее осн. носители - дырки в случае кремния р-типа - вглубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенц. ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенц. ямы, локализуются в тонком (0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4,7, образуя сигнальные зарядовые пакеты. Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела (темновой ток) эти заряды будут накапливаться в потенц. ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и т. д. прикладывается т. н. напряжение считывания Uс, более высокое, чем напряжение хранения Uxp . Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. ямы, чем под электронами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5,7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенц. ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до Uxp, а с электродов 1, 4, 7 снимается напряжение считывания Uс. Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам Uxp или Uс поддерживается небольшое напряжение смещения Uсм (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинационных эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний p-n переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, к-рый после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрич. импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение.На рис 4.9. приведено устройство одного субпикселя ПЗС.

Рис 4.9. Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптич. потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС - кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.

Презентация на тему: " Доклад на тему Приборы с зарядовой связью Выполнил Ситников Виталий." — Транскрипт:

1 Доклад на тему Приборы с зарядовой связью Выполнил Ситников Виталий

2 Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры) научились получать в конце 50-х годов. Были найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника. Тем самым уже через 10 лет были заложены предпосылки для изобретения приборов с зарядовой связью. С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью. ПЗС- элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому. Физические принципы работы ПЗС матрицы

3 Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. Полупроводник р-типа, получают добавлением (легирование) к кристаллу кремния акцепторных примесей, например, атомов бора. Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные положительно заряженные носители дырки. Дырки в полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда: свободных электронов там очень мало.

4 Если теперь подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным электродом образуется область обедненная основными носителями дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это означает, что под электродом формируется потенциальная яма.

5 При подаче обедняющего импульса напряжения VG1 на затвор 1 го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС элементах должны проходить за времена меньше τген. Пусть в момент времени t1 >>tτген в ОПЗ под затвор 1 го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов. Теперь в момент времени t2 > t1, но t2 VG1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2 го элемента.

6 Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1 м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рисунке. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2 го ПЗС элемента, напряжение на затворе VG1 снимается, а на затворе VG2 уменьшается до значения, равного VG1. Произошла пepeдача 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 tпер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (tпер

7 Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2 го ПЗС элемента, напряжение на затворе VG1 снимается, а на затворе VG2 уменьшается до значения, равного VG1. Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС элемента.

8 Электроды ПЗС-матриц Электроды ПЗС в течение некоторого времени после изобретения чаще всего изготавливались в одном слое металла. Слой алюминия толщиной около 1 мкм наносили на прибор испарением. Затем путем фотолитографии формировали электроды. Наиболее критичным этапом в технологическом цикле изготовления одноуровневой структуры этого типа является вытравливание межэлектродных зазоров. Для обеспечения хорошего переноса зарядовых пакетов надо, чтобы потенциальные ямы соседних электродов перекрывались. Глубина потенциальной ямы зависит от степени легирования кремния и величины приложенного к электроду потенциала. Типичные значения единицы микрон. Отсюда следует, что межэлектродные зазоры не должны быть больше единиц микрон. Суммарная длина этих узких зазоров в больших приборах весьма велика. Понятно, что любое случайное замыкание соседних электродов, произошедшее на одной из операций технологического цикла, полностью выведет прибор из строя. Последующее развитие ПЗС-технологии было направлено на создание структур, свободных от недостатков первых технологий и работающих с более простыми управляющими напряжениями.

9 Благодаря применению новейших высокоточных технологий в изготовлении ПЗС, эти приемники излучения в настоящее время стали доминирующими в телевизионных системах и вывели их на принципиально новый уровень, существенно расширив функциональные возможности ПЗС и сделав доступными по себестоимости для широкого применения.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) – это полупроводниковый прибор, имеющий большое число близкорасположенных и изолированных от подложки затворов (МДП-структур), под которыми может происходить перенос к стоку информа­ционных пакетов неосновных носителей заряда, либо инжектированных из исто­ка, либо возникших в подложке из-за поглощения оптического излучения.

Принцип действия ПЗС рассмотрим на примере трехтактной схе­мы сдвигового регистра, которую можно представить как струк­туру МДП-транзистора со многими затворами (рис. 5.9). Этот прибор состоит из трех секций.

Первая – входная секция – включает в себя исток с p + -об­ластью под ним и входной затвор, выполняющий роль ключа для управления движением дырок из диффузионной р + -области исто­ка в первую потенциальную яму.

Вторая – секция переноса – состоит из ряда затворов, уп­равляющих потенциалом на границе кремний – диоксид кремния. Эти затворы соединены между собой через два. Напряжения на затворах секции переноса имеют вид импульсов различной ам­плитуды, которые сменяют друг друга циклической перестанов­кой (рис. 5.9, б – д). При таком изменении напряжения на затвоpax потенциальные ямы перемещаются к выходу прибора, увле­кая за собой пакеты носителей заряда – дырок.

Третья – выходная секция – включает в себя р-n-переход стока. Этот переход смещен в обратном направлении и предназ­начен для экстракции дырок из подходящих к нему потенциаль­ных ям (рис. 5.9, г).

Пусть на начальном такте работы на входной затвор подано напряжение , достаточное для образования проводящего ка­нала под входным затвором ( ). Если при этом на первом затворе секции переноса существует достаточно большое отрицательное напряжение, т.е. если под первым затвором сек­ции переноса существует глубокая потенциальная яма для ды­рок, то дырки будут выходить из истока, проходить по каналу под входным затвором и накапливаться в потенциальной яме под первым затвором секции переноса (рис. 5.9, 6).

Напряжение на входном затворе снимается к началу сле­дующего такта изменения напряжений на затворах секции пере­носа. Поэтому проводящий канал под входным затвором исче­зает. Так происходит запись информации (например, логической единицы), которой соответствует некоторый заряд дырок , накопленных в потенциальной яме под первым затвором в ре­зультате инжекции из истока.

Отметим, что для записи информа­ции, соответствующей логическому нулю, на входной затвор не должно быть подано отрицательное напряжение. В этом случае не будет инжекции дырок из p + -области истока в потенциальную яму под первым затвором (рис. 5.9, д) и в ней может оказаться только относительно небольшой заряд дырок , связанный либо с тепловой генерацией носителей заряда, либо с неполным опустошением потенциальной ямы на предыдущих тактах работы прибора.

После смены напряжений на затворах секции переноса самое отрицательное напряжение будет на втором затворе, поэтому пакет дырок передвинется в потенциальную яму под вторым за­твором секции переноса (рис. 5.9, в). При следующих тактах изменения напряжения на затворах секции переноса будет про­исходить дальнейшее продвижение пакета дырок к выходной секции (рис. 5.9, г, д).

Если в потенциальных ямах, подходящих к р-n-переходу стока, нет носителей заряда – дырок, то не будет и изменения тока в цепи стока. И только в том случае, когда потенциальная яма, содержащая дырки, подойдет к р-n-переходу стока, про­изойдет экстракция этих дырок, и в цепи стока пройдет импульс тока или изменится напряжение на стоке (рис. 5.9, г).

Следует отметить, что ПЗС является типично динамическим устройством и имеет нижний и верхний пределы тактовых частот импульсов напряжения, питающих секцию переноса.

Нижний предел тактовой частоты определяется тем, что между потенциальной ямой у поверхн
ости и остальным объемом полупроводника проходят токи, связанные с тепловой генерацией носителей заряда и ничем, в принципе, не отличающиеся от об­ратного тока экстракции через р-n-переход. Эти токи влияют на уровень логического нуля, повышая заряд дырок в пустых по­тенциальных ямах. В зависимости от температуры и свойств полупроводника заметное накопление дырок в пустых потенциаль­ных ямах может произойти за время от сотых долей секунды до единиц секунд. Поэтому нижний предел тактовой частоты ПЗС составляет обычно единицы – десятки килогерц.

Верхний предел тактовой частоты определяется временем перетекания заряда из одной потенциальной ямы в другую (поряд­ка единиц наносекунд). За более короткое время весь заряд не успевает перейти из одной потенциальной ямы в соседнюю. По­этому верхний предел тактовых частот для ПЗС определяется обычно десятками мегагерц.

К настоящему времени выявилось три основных направления использования ПЗС:

1) запоминающие устройства;

2) устройства преобразования изобра­жения в электрические сигналы;

3) устройства обработки ана­логовой информации.

По принципу действия ПЗС представляют собой запоминающие устройства типа линий за­держки. На их основе созданы цифровые сдвигающие регистры с последовательным вводом и выводом информации.

Информация непрерывно циркулирует в таком запоминающем устройстве на ПЗС с регенерацией, т.е. с восстановлением уровней пустых потенциальных ям. При обращении к регистру производится выборка записанной инфор­мации с регенерацией или без нее, т.е. с неразрушающим считы­ванием или с разрушением записанной информации.

Устройства преобразования изображения в электрические сигналы

Принцип действия таких устройств основан на том, что при освещении ПЗС в полупроводнике около его поверхности об­разуются пары носителей заряда электрон – дырка, которые раз­деляются электрическим полем потенциальной ямы под затвором секции переноса.

Образующиеся при поглощении квантов света носители заполняют потенциальные ямы пропорционально осве­щенности данной области ПЗС. Если затем произвести обычным путем сдвиг записанной световой информации, то сигнал на вы­ходе ПЗС будет повторять распределение освещенности, т.е. будет выделена строка изображения. Так же может быть выде­лена следующая строка и т.д. В настоящее время созданы пере­дающие камеры с ПЗС, достигающие обычного телевизионного стандарта по разрешающей способности, в том числе и для цвет­ного телевидения.

Устройства обработки аналоговой информации

С помощью ПЗС могут запоминаться и аналоговые сигналы, но в этом случае становится невозможной регенерация записанной информации. Однако и простое запоминание открывает большие возможности использования ПЗС, так как эти приборы позволяют регулиро­вать задержку переноса информации. Простейшим вариантом использования ПЗС для обработки аналоговой информации ока­зались линии фиксированной задержки для телевизионных при­емников цветного изображения.

Читайте также: