ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8945
Скачиваний: 15
56
n
+
2
Вход
p
Ф
1
Ф
ВХ
11
1
а
б
в
Рис. 9.17 — Устройство ввода сигнала
в ПЗС
2
n
+
Выход
p
Ф
ВЫХ
а
б
1
Ф
3
Рис. 9.18 — Устройство вывода сигнала
в ПЗС
Следовательно, величина зарядового пакета под первым за-
твором
Ф
1
, пропорциональная поверхностному потенциалу под
входным затвором, будет изменяться приблизительно линейно
57
при изменении амплитуды входного сигнала. Для вывода зарядо-
вого пакета на выходе используют устройство (рис. 9.18,
а
), со-
держащее область 1 n
+
-типа проводимости, омический контакт 2
к этой области и выходной затвор
Ф
ВЫХ
. Область 1 образует
с подложкой выходной диод, который смещают в обратном
направлении. Для этого на выходной контакт через резистор по-
дают положительное постоянное напряжение, превышающее
максимальное напряжение на
Ф
ВЫХ
.
В некоторый момент времени на выходной затвор подают
импульс положительной полярности, разрешающий вывод заря-
дового пакета. Если в последнем элементе
Ф
З
к этому моменту
времени был накоплен зарядовый пакет, то он переместится в по-
тенциальную яму, расположенную под выходным затвором
(рис. 9.18,
б
), а затем в более глубокую потенциальную яму обла-
сти n
+
-типа и, наконец, в выходную цепь резистора, присоеди-
ненного с n
+
-областью. К выходному выводу подключают чув-
ствительный усилитель на МДП-транзисторах, который создается
на этой же подложке.
В ряде случаев необходимо осуществлять неразрушающее
считывание зарядового пакета. Для этого в качестве датчика по-
верхностного потенциала и связанной с ним величины зарядового
пакета используют МДП-транзистор.
9.6
Параметры
элементов
ПЗС
К числу основных параметров элементов ПЗС относятся:
рабочая амплитуда управляющих напряжений, максимальная ве-
личина зарядового пакета, предельные (минимальная и макси-
мальная) тактовые частоты, эффективность переноса зарядового
пакета, рассеиваемая мощность. Рабочая амплитуда управляю-
щих напряжений на затворах определяется двумя основными
условиями. Она должна быть достаточно большой для обеспече-
ния требуемой величины зарядового пакета и полного смыкания
обеденных слоев соседних элементов, чтобы под их затворами
образовывалась общая потенциальная яма при переносе зарядо-
вого пакета. Чем меньше расстояние между затворами и больше
58
емкость элемента, тем ниже требуемая амплитуда управляющих
напряжений, типичные значения которых 10—20 В. Максималь-
ная величина зарядового пакета Q
П.МАКС
является важным пара-
метром, характеризующим управляющую способность ПЗС. Она
пропорциональна амплитуде управляющего напряжения и пло-
щади затвора.
Минимальная тактовая частота обратно пропорциональна
максимально допустимому времени хранения зарядового пакета в
одном элементе. Это время ограничено, так как постепенно вели-
чина зарядового пакета изменяется вследствие неконтролируемо-
го накопления электронов в потенциальных ямах под затвором.
Эти электроны появляются в результате тепловой генерации но-
сителей заряда в обедненном слое и на границе полупроводника
с диэлектриком, а также за счет диффузии из подложки.
П
10
3
10
–5
10
8
10
7
F
T
, Гц
1
2
Рис. 9.19 — Зависимость коэффициента
потерь от тактовой частоты для
различных типов ПЗС
Для увеличения допустимого времени хранения зарядового
пакета и уменьшения f
М.МИН
снижают концентрацию объемных
центров рекомбинации, плотность поверхностных состояний и
рабочую температуру. Типичные значения f
М.МИН
= 30...300 Гц.
Максимальная тактовая частота f
М.МАКС
обратно пропорциональна
минимально допустимому времени переноса. При работе с мак-
симальной тактовой частотой перенос зарядового пакета в сле-
дующий элемент начинается непосредственно после окончания
его переноса в данный элемент Минимально допустимое время
59
переноса зарядового пакета связано с эффективностью его пере-
носа.
Эффективность переноса определяется соотношением
( )
1
n i
ni
Q
Q
+
η =
, где
ni
Q ,
( )
1
n i
Q
+
— зарядовые пакеты в
i
-м элементе
до переноса и в следующем (
i
+1)-м элементе после переноса,
вследствие потери части зарядового пакета при переносе
η < 1.
Допустимое уменьшение зарядового пакета при многократных
переносах зависит от типа устройства. При заданном допустимом
уменьшении зарядового пакета эффективность переноса опреде-
ляет максимальное число элементов, через которые может быть
передан зарядовый пакет.
На рис. 9.19 показаны типичные зависимости коэффициента
потерь от тактовой частоты для рассмотренных выше элементов
ПЗС с поверхностным переносом зарядовых пакетов 1 и с объем-
ным переносом 2. Потери зарядового пакета при переносе на вы-
соких тактовых частотах в основном вызваны тем, что за малое
время, отводимое на перенос, часть электронов не успевает пере-
меститься в соседний элемент и остается в предыдущем. Эти по-
тери резко увеличиваются с ростом тактовой частоты, т. е. при
уменьшении интервала времени, отводимого на перенос. Мини-
мально допустимое время переноса зависит от требуемой эффек-
тивности переноса, длины затвора и подвижности электронов.
Чем больше требуемая эффективность переноса, тем боль-
шее время необходимо отвести на перенос зарядового пакета
и тем ниже максимальная тактовая частота управляющих им-
пульсов (см. рис. 9.19). На более низких тактовых частотах эф-
фективность переноса достигает максимального значения, ко-
торое практически не зависит от тактовой частоты. На этих ча-
стотах потери зарядового пакета обусловлены захватом части
электронов поверхностными ловушками. За время переноса ло-
вушки не успевают отдать все захваченные ими электроны. По-
тери такого типа увеличиваются, если данный зарядовый пакет
переносится через элементы, не содержавшие перед этим дру-
гих зарядовых пакетов, так как в них поверхностные ловушки
оказываются незаполненными. Для уменьшения потерь, связанных
60
с поверхностными ловушками, используют фоновый заряд, вво-
димый во все элементы. При этом управляющее напряжение так-
товых импульсов понижают не до нуля, а до некоторого положи-
тельного значения. При этом в соответствующих элементах, где
формируются неглубокие потенциальные ямы, сохраняется фо-
новый заряд, заполняющий поверхностные ловушки. Тем самым
уменьшаются потери зарядового пакета при переносе. Однако
потери, связанные с захватом электронов поверхностными ло-
вушками, не снижаются до нуля из-за краевого эффекта: фоновый
заряд занимает под затвором меньшую площадь, чем информаци-
онный зарядовый пакет, т. е. заполняет не все поверхностные ло-
вушки, расположенные вблизи краев затвора. Кроме того, часть
электронов захватывается ловушками, расположенными между
затворами.
Рассеиваемая мощность элементов ПЗС очень мала. В ста-
дии хранения она практически не рассеивается, так как текут
очень малые токи термогенерации. Мощность рассеивается
в элементах ПЗС только в режиме переноса зарядового пакета.
Она увеличивается пропорционально тактовой частоте, амплиту-
де управляющего напряжения и величине зарядового пакета.
Рассеиваемая мощность элементов ПЗС менее 1 мкВт. Столь
малая рассеиваемая мощность — одно из их главных достоинств.
9.7
Разновидности
конструкций
Устройство элементов ПЗС и принцип переноса зарядовых
пакетов были рассмотрены на примере прибора с трехтактными
управляющими импульсами. Достоинство этих приборов — наибо-
лее простая структура элементов. Одним из недостатков трехтакт-
ных ПЗС является необходимость использования управляющих
импульсов сложной (трапецеидальной) формы. Длительность сре-
зов тактовых импульсов должна быть достаточно большой, иначе
увеличиваются потери зарядов. На практике, кроме трехтактных,
используются также четырех-, двух- и однотактные приборы. Че-
тырехтактные ПЗС могут работать при управляющих импульсах,
форма которых более простая и близка к прямоугольной. В этих
приборах также используются простейшие МДП-структуры.