Файл: Электроника Ицкович Часть 2.pdf

56

n

+ 

2 

Вход 

p 

Ф

1 

Ф

ВХ 

11

1

а

б

в

Рис. 9.17 — Устройство ввода сигнала  

в ПЗС 

ФЗ

2 

n

+ 

Выход 

p 

Ф

ВЫХ 

а

б

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  образует с под-

ложкой выходной диод, который смещают в обратном направле-
нии.  Для  этого  на  выходной  контакт  через  резистор  подают  по-
ложительное постоянное напряжение, превышающее максималь-
ное напряжение на Фвых. 

В  некоторый  момент  времени  на  выходной  затвор  подают 

импульс  положительной  полярности,  разрешающий  вывод  заря-
дового  пакета.  Если  в  последнем  элементе  Фз  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  области 

n

+

-типа и, наконец, в выходную цепь резистора, присоединенно-

го  с  n

+

-областью.  К  выходному  выводу  подключают  чувстви-

тельный  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 ус-
ловиями. Она должна быть достаточно большой для обеспечения 
требуемой величины зарядового пакета и полного смыкания обе-
денных слоев соседних элементов, чтобы под их затворами обра-
зовывалась  общая  потенциальная  яма  при  переносе  зарядового 
пакета.  Чем  меньше  расстояние  между  затворами  и  больше  ем-

58

кость диэлектрика, тем ниже требуемая амплитуда управляющих 
напряжений, типичные значения которой 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 

8

7 

F

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  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  импуль-
сов (см. рис. 9.19). На более низких тактовых частотах эффектив-
ность переноса достигает максимального значения, которое прак-
тически не зависит от тактовой частоты. На этих частотах потери 
зарядового  пакета  обусловлены  захватом  части  электронов  по-
верхностными  ловушками.  За  время  переноса  ловушки  не  успе-
вают отдать все захваченные ими электроны. Потери такого типа 
увеличиваются, если данный зарядовый пакет переносится через 
элементы, не содержавшие перед этим других зарядовых пакетов, 
так как в  них поверхностные ловушки оказываются незаполнен-
ными. Для уменьшения потерь, связанных с поверхностными ло-

60

вушками, используют фоновый заряд, вводимый во все элементы. 
При  этом  управляющее  напряжение  тактовых  импульсов  пони-
жают не до нуля, а до некоторого положительного значения. При 
этом  в  соответствующих  элементах,  где  формируются  неглубо-
кие  потенциальные  ямы,  сохраняется  фоновый  заряд,  заполняю-
щий  поверхностные  ловушки.  Тем  самым  уменьшаются  потери 
зарядового пакета при переносе. Однако потери, связанные с за-
хватом электронов поверхностными ловушками, не снижаются до 
нуля из-за краевого эффекта: фоновый заряд занимает под затво-
ром  меньшую  площадь,  чем  информационный  зарядовый  пакет, 
т.е.  заполняет  не  все  поверхностные  ловушки,  расположенные 
вблизи краев затвора. Кроме того, часть электронов захватывает-
ся 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,  амплитуде 
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. 

Как в трех-, так и в четырехтактных ПЗС направление пере-