Историческая справка
В 1969 г. У. Бойл и Дж. Смит, сотрудники лаборатории Bell Labs, изобрели первый прибор с зарядовой связью (ПЗС). В 1970 г. он был представлен на суд общественности. На примере примитивного «прародителя» современных ПЗС они продемонстрировали, что между близко расположенными МОП-конденсаторами («металл-окисел-полупроводник») возможен обмен зарядами – зарядовая связь. Манипулируя смещением, прикладываемым к таким конденсаторам, можно перемещать заряды, накапливать их, объединять и разделять. Иными словами, осуществлять аналоговую и цифровую обработку информации на дискретных, но связанных между собой элементах.
Первые ПЗС насчитывали всего семь конденсаторов, а уже в 1991 г. количество элементов в приборах превышало миллион. Столь внушительный рост за относительно небольшой срок объясняется рядом причин.
Во-первых, сам принцип зарядовой связи отличается своей простотой: информация в ПЗС передается зарядами без промежуточных преобразований заряда (тока) в потенциал и обратно. При любом преобразовании такого рода возникает некоторая неопределенность. Таким образом, в ПЗС эта неопределённость сведена к минимуму, как и число преобразований. Они имеют место только на входе и выходе.
Во-вторых, приборы с зарядовой связью имеют очень широкий функционал, а, следовательно, и область применения. Они могут выполнять любые действия (кроме генерации сигналов), связанные с накоплением и преобразованием информации.
В-третьих, конструктивно-технологические особенности ПЗС позволяют достичь высокой степени интеграции легче, чем в других больших интегральных схемах. Например, фоточувствительные приборы с зарядовой связью представляют собой массив сравнительно простых по топологии элементов, к которым нет нужды изготавливать индивидуальные контакты.
Изобретатели ПЗС пророчили им три основные сферы применения: преобразование излучения в электрический сигнал – фоточувствительные ПЗС (ФПЗС); аналоговую обработку информации – линии задержки, фильтры; запоминающие устройства (ЗУ). Наибольшее развитие получило первое направление.
Необходимость в ФПЗС
С возникновением телевидения у людей появилась возможность преобразовывать видимые картины в электрические сигналы, иными словами – переводить видеоинформацию на универсальный язык электроники. До появления полупроводниковых светочувствительных матриц с этой задачей справлялись с помощью вакуумной электроники, а именно – передающих телевизионных трубок.
Наиболее распространённым типом передающей трубки в телевизионных камерах являлся видикон – прибор, работающий с использованием внутреннего фотоэффекта. Изображение в видиконе проецировалось на плоскую мишень из полупроводникового материала, на котором накапливался потенциальный рельеф. Мишень сканировалась электронным лучом, подключающим считываемый участок к нагрузке. Рельеф при этом разрушался и восстанавливался к моменту следующего прохода луча.
Основными недостатками этого прибора являлись, во-первых, его полная электрическая несовместимость с интегральными схемами, а во-вторых – наличие вакуумируемого объёма, без которого невозможно использование электронно-лучевой развертки. Как следствие возникло большое количество ограничений при эксплуатации прибора и, что немаловажно, серьезные ограничения на его минимальный размер. Так же недостатком видикона являлась его дороговизна.
Таким образом, возникла необходимость в создании твердотельного аналога передающей трубки. Которым и оказались пресловутые фоточувствительные ПЗС (ФПЗС).
Устройство
Для начала отметим, что приборы с зарядовой связью относятся к изделиям функциональной электроники, то есть их нельзя представить как совокупность транзисторов и конденсаторов.
Основой интегральной схемы является кристалл полупроводника —кремния n- или p-типа. На поверхности полупроводника формируются p-n переходы, которые служат токовыми входом и выходом. За счет термической обработки в высокотемпературных печах (1000°С) происходит рост изолирующего слоя окиси кремния (SiO2) небольшой толщины (0,1 мкм). Малая ширина диэлектрической пленки является необходимым условием нормальной работы прибора. Это нужно, чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник - диэлектрик и минимальную концентрацию рекомбинационных центров на границе.
На этот изолятор в соответствующих местах наносятся слои проводника (алюминий, поликристаллический кремний), которые играют роль управляющих электродов. Их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами составляет приблизительно 0,2-3 мкм. Под крайними электродами каждой строки изготовляют p-n переходы, предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрическим способом.
При фотоэлектрическом вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегированного поликристаллического кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-областях спектра.
Регулярная последовательность таких металлических электродов на оксидированной поверхности кремния представляет собой основной структурный элемент ПЗС – строку.
Рисунок 1. Структура прибора с зарядовой связью (фрагмент). 1-кристалл кремния; 2-вход/выход; 3-металлические электроды; 4-диэлектрик.
Общий принцип работы ПЗС
Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение, то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности вглубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик — полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.
Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента, либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода.
Одно из важных свойств ПЗС – свойство самосканирования – состоит в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трех тактовых шин. Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно иметь три электрода: передающего, принимающего и изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга. Примечательно, что одноименные электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода – сдвиговый регистр.