Рассмотрим более подробно принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой (рис.2).
Рисунок 2. Схема работы трехфазного ПЗС – сдвигового регистра.
В течение первого такта (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается так называемое напряжение хранения U xp, оттесняющее основные носители заряда (дырки в случае кремния р-типа) вглубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм, которые называют потенциальными ямами для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенциальные ямы, локализуются в тонком (приблизительно 0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4, 7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.
Рисунок 3. Зонная диаграмма для ПЗС-элемента в режиме хранения информации: а - в первый момент после включения; б - в стационарном состоянии; 1 - металл; 2- диэлектрик; 3- обедненная область; 4- нейтральная область полупроводника
Зонная диаграмма поверхности полупроводника для режима хранения приведена на рис.3,а. Величина поверхностного потенциала, характеризующая изгиб зон и глубину потенциальной ямы, в начальный момент максимальна. При инжекции пакета дырок их положительный заряд экранирует подложку от поля, в результате чего происходит перераспределение внешнего напряжения: увеличивается часть напряжения, падающего на слое диэлектрика, поверхностный потенциал уменьшается (по абсолютной величине), и обедненная область сужается. С течением времени потенциальная яма заполняется до насыщения термогенерируемыми дырками и у поверхности образуется стационарный инверсный слой (рис.3,б). Величина поверхностного потенциала уменьшается (по абсолютной величине) до потенциала инверсии поверхности полупроводника
Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МОП-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 потенциальных ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.
Во время второго такта (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и т. д. прикладывается напряжение считывания, Uc, более высокое, чем напряжение хранения U xp. Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенциальные ямы, чем под электронами 1, 4 и 7. Вследствие близости электродов 1 и 2; 4 и 5; 7 и 8 барьеры между ними исчезают, и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенциальные ямы.
Понятно, что на полную передачу заряда из одной потенциальной ямы в другую требуется время, так что при высокой тактовой частоте этого времени может не хватить. Величина, показывающая, какая часть зарядового пакета передалась в следующий элемент ПЗС, называется эффективностью переноса ε. Часто пользуются и связанной с ней величиной неэффективности η=1- ε. Так же существуют потери заряда обусловленные захватом части носителей поверхностными ловушками.
Известно, что все «события» происходят в очень тонкой области у границы раздела окисел-кремний. Сколько бы совершенной не была кристаллическая структура подложки, граница раздела – это нарушение однородности кристалла. Из физики твердого тела следует, что всякое нарушение однородности кристаллической решетки приводит к возникновению разрешенных энергетических уровней в запрещенной зоне. Образующиеся при этом энергетические уровни образуют квазинепрерывный спектр, а значит среди них есть уровни, способные захватывать электроны из зоны проводимости (ловушки).
Потери при этом зависят не только от плотности поверхностных ловушек и величины зарядового пакета, но и от характера предшествующей зарядовой информации, передаваемой через данный элемент.
Влияние поверхностных состояний может быть уменьшено, если в цепочку ПЗС (в каждый зарядовый пакет) ввести некоторый фоновый заряд, заполняющий поверхностные ловушки. Иными словами, во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам U xp или Uc поддерживается небольшое напряжение смещения Ucм (1-3 В).
В результате потери информационного заряда при передаче уменьшаются. Неполное устранение влияния ловушек объясняется рядом причин, главными из которых являются краевой эффект и захват носителей не только при хранении, но и во время протекания зарядового пакета через ПЗС и зазор.
Краевой эффект возникает из-за двумерности распределения электрического поля в реальных ПЗС, что делает потенциальные ямы не прямоугольными, а закругленными. Следовательно, площадь поверхности, занимаемая пакетом, будет зависеть от величины заряда и всегда будет больше площади, занимаемой меньшим по величине фоновым зарядом. Поэтому поверх постные ловушки, расположенные у краев электрода, где фонового заряда нет, будут пустыми и смогут захватывать носители из зарядного пакета. Захват носителей в процессе передачи главным образом связан с тем, что в зазоре фонового заряда нет и поэтому ловушки не заполнены. Таким образом, введение фонового в несколько раз уменьшает потери передачи, обусловленные захватом носителей поверхностными ловушками.
Во время третьего такта напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до U xp, а с электродов 1, 4, 7 -- снимается. Таким образом, осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.
Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, можно последовательно вывести через крайний p-n переход все зарядовые пакеты, возбуждённые, например, светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрических импульсов.
Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение. При небольшом числе переносов увеличиваются рекомбинационные потери, происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему, и усиливаются обусловленные этим искажением информации.
Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение. При небольшом числе переносов увеличиваются рекомбинационные потери, происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему, и усиливаются обусловленные этим искажением информации.
Основные параметры ПЗС
1. Амплитуды управляющих импульсов Uхр и Uс ~ 5-20 В
2. Относительные потери заряда при одном переносе ε ~ 10-3-10-5
3. Максимальная тактовая частота fтакт = 10-100 МГц
4. Максимальная и минимальная плотности зарядового пакета Qn,мах ~ 50 нКл/см2 и Qn,мin ~ 50 пКл/см2
5. Динамический диапазон 
~ 60-80 дБ
6. Плотность темнового тока Iт = 10-10-10-9 А/см2
Разновидности ПЗС
Кроме ПЗС простейшей структуры (рис. 1) получили распространение и др. их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами (рис. 4, а), в которых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами. Так же существуют приборы с асимметрией приповерхностных свойств (например, слоем диэлектрика переменной толщины - рис. 4, б), работающие в двухтактовом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объёмным каналом (рис. 4, в), образованным диффузией примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объёме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинационных центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значения fтакт.
