Преобразование свет – сигнал осуществляется прибором с зарядной связью ПЗС. Упрощённо ПЗС можно рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов.
Структуру МДП (металл-диэлектрик-проводник) научились получать в конце 50-х годов прошлого столетия. Была разработана технология, которая обеспечивала низкую плотность дефектов и примесей полупроводника. С физической точки зрения ПЗС интересен тем, что электрический сигнал представлен в них не током или напряжением, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов, заряженные пакеты можно переносить между соседними элементами, поэтому они и называются приборами с переносом зарядов или ПЗС.
На рисунке показана структура одного элемента: линейного трёхфазного ПЗС в режиме накопления. Один из электродов смещен более положительно. Именно под ним происходит накопление заряда. Полупроводник р-типа получается добавлением к кристаллу кремния акцептных примесей, например, атомов бора. Эта примесь создаёт в кристалле полупроводника свободные положительно заряженные носители – дырки.
Дырки в полупроводнике р-типа являются основным носителем заряда. Если подать небольшое положительный потенциал на один из электродов ячейки трёхфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно заряженным электродом образуется область, обеднённая носителями «+» - дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это означает, что под электродом образуется потенциальная яма.
В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда в кремнии поглощается фотон, то в носителе генерируется пара зарядов – электрон и дырка. Электрическое поле в области пикселя растаскивает эту пару, вытесняя дырку вглубь кремния. Не основные носители заряда (электроны) будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведён положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, т.к. дырок в обеднённой области нет, и электроны не перемещаются.
Носители, сгенерированные за пределами обеднённой области, медленно движутся и обычно рекомбинируют с решёткой, прежде чем попадут под действие градиента поля обеднённой области.
Носители, сгенерированные вблизи обеднённой области могут диффундировать в стороны и попадать под соседний электрод.
В красном и инфракрасном диапазоне длин волн ПЗС имеют худшее разрешение, чем в видимом диапазоне, т.к. красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается.
Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесён под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, а потенциал первого электрода будет уменьшен. Перенос в трёхфазном ПЗС можно производить вправо и влево. Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в туже сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу m * n) пикселов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп-каналы – это очень узкие области, формирующиеся специальными технологическими приёмами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.
Большинство типов ПЗС-матриц изготавливаются на промышленной основе, ориентируясь на применение в телевидении, и это находит отражение в их внутренней структуре. Такие матрицы состоят из двух идентичных областей – области накопления и хранения. Существуют матрицы, у которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Для работы таких матриц требуется оптический затвор.
Самые простые по устройству ПЗС состоят из электродной структуры, осаждённой прямо на слой изолятора, сформированного на поверхности пластины однородного легированного р-кремния. Заряд накапливается и переносится в приповерхностном слое полупроводника. Такие приборы называются ПЗС с поверхностными каналами. Для поверхностного слоя характерно большое количество дефектов, что отрицательно влияет на эффективность переноса зарядов. Заряды захватываются в местах дефектов поверхностного слоя и медленно высвобождаются. Это приводит к размыванию изображения. Дефекты поверхностного слоя могут также случайно эмитировать заряды, приведя к увеличению шумового сигнала. Качество поверхностного слоя является фактором, ограничивающим работоспособность ПЗС.
Толщина рабочей части прибора составляет единицы микрон. Изготавливаются они, как правило, на основе очень тонких полупроводниковых плёнок, выращенных на сравнительно толстом основании подложки.
Электроды ПЗС изготавливаются в одном слое металла. Слой алюминия толщиной приблизительно 1 мкм наносится на прибор испарением. Затем путём фотолитографирования формируются электроды. Наиболее ответственным является вытравливание промежутков между электродами. Для обеспечения хорошего переноса зарядных пакетов, надо чтобы потенциальные ямы соседних электродов перекрывались. Глубина потенциальной ямы зависит от степени легирования кремния и величины приложенного к электроду потенциала. Типичное значение – единицы микрон. Отсюда следует, что межэлектродные зазоры не должны быть больше 1 мкм. Любое случайное замыкание соседних электродов на одной из операций технологического цикла выводит прибор из строя.