|
| |
|
Слаботочка Книги залегания канала и длины электрода в таких ФПЗС существеннее краевые полевые эффекты. Обе причины ведут к уменьшению времени перетекания зарядов: быстродействие ФПЗС с объемным каналом на порядок выше, чем поверхностных. Среди ФПЗС с объемным каналом также имеется множество разновидностей, подобных представленным на рис. 6.10,а-в. Кроме того, созданы приборы, управляемые с помощью р-п-пе-реходов и барьеров Шотки, а на основе слоистых р-я-р-структур - многоканальные или многоуровневые ФПЗС. Несмотря на исклю-Чительное многообразие конструкций ФПЗС и перспективность многих из них, основными по массовости применения остаются технологически наиболее простые - однородные ФПЗС с поверхностным каналом, а также объемные ФПЗС, К числу основных параметров и характеристик ФПЗС (в скобках приведены типичные значения) относятся: амплитуды Lxp(c4) (10...30 В) и фронты /ф (10... 100 не) управляющих трапецеидальных импульсов; относительные потери при единичном акте передачи е (10~... ...10-S); максимальная тактовая частота /т.макс (1... 5 МГц для по-.зерхностных и 10...50 МГц для объемных ФПЗС); максимальная поверхностная плотность зарядового пакета п.макс при насыщении потенциальной ямы или соответствующая .ему экспозиция насыщения Яе.макс (50 нКл/см и 300 нДж/см); минимальная плотность зарядового пакета Сп.мин, различимая иа фоне шумов, или соответствующая ему пороговая экспозиция i/е.мин (50 пКл/см2 и 0,3 нДж/см2); динамический диапазон Z? = 201д(Яе.макс/Яе.мин) (60 дБ); плотность темнового тока /т (5... 20 нА/см), относящаяся к числу технологических параметров; чувствительность и спектральный диапазон (для кремниевых ФПЗС 5ф = 0,1... 0,4 А/Вт, а АК охватывает больший или меньший участок в интервале 0,4... 1,1 мкм); частотно-контрастная характеристика (ЧКХ), определяющая решающую способность г (10... 50 лин/мм). Понятие ЧКХ требует пояснения. Если в схеме рис. 6.9 на ФПЗС воздействует штриховая мира (пластина с периодическим пространственным чередованием темных и светлых полос), то со--ответствующий выходной сигнал представляет собой временное чередование импульсов Увых.макс и /вых.мин. Чем больше глубина модуляции выходного сигнала 1=1-U вых.мин/вых.макс, ТСМ ЛуЧШС воспроизводится мира. Частотно-контрастная характеристика представляет собой монотонно убывающую функцию M = f{Ku), где Kxi - пространственная частота миры, лин./мм. Обычно ЧКХ определяется значением М при заданном Км или наоборот. Основные области применения ФПЗС - это телевизионная техника, фототелеграфия, оптические измерения, астронавигация, распознавание образов, ночное видение. J86 Основы теории. Рассмотрение проведем для поверхностных ФПЗС с уточнениями, необходимыми для других разновидностей. Введение информации в-ФПЗС методом фотогенерэции описывается в одномерном приближении соотношением i, (6.29> ехр( -ихрс) 1 + kZ.„ j где Л/ф=Л/ф(у, Z, t) - поток фотонов; Т=Т(у, X) - коэффициент пропускания излучения с длиной волны X пленками, покрывающими кремний; ц - квантовый выход фотогенерации (обычно т]«1); к=к(Х) - коэффициент поглощения в кремнии; направление координат х, у, z показано на рис. 6.7,а. Прямо-пропорциональная зависимость зарядового пакета Qn от времени засветки t или вернее от экспозиции Лф сохраняется до тех пор, пока (Эп"ССп.ыанс, что-практнчески всегда выполняется. Для видимого диапазона член в квадратных. скобках в (6.29) практически равен 1, а для ИК-Диапазона (Я1 мкм) составляет кХо.с. т. е. чувствительность резко падает, так как лхо.с-С!. Решение стационарной задачи для МДП-элемента в условиях обеднениж определяет взаимосвязь поверхностного потенциала фп с приложенным к элементу напряжением {7.хр и введенным зарядовым пакетом Qn; в линеаризованном приближении имеем где Сд - удельная емкость диэлектрической пленки; - коэффициент влияния! подложки (обычно =0,1 ...0,2); [Уо - пороговый потенциал затвора; фо - потенциал инверсии. Увеличение зарядового пакета ведет к снижению фп; максимальное значение Сп.макс соответствует условию фп«фо (потенциальная яма исчезает). Отсюда с учетом того, что [Ухр[Уо, получаем <?п.мако«Сд[;,р. (6.31> При всех режимах работы для информационного заряда должно выполняться условие Qn<Qn.MaKC. В ФПЗС с объемным каналом максимум потенциала образуется на таком расстоянии от поверхности, на котором действия заряда затвора и заряда поверхностных состояний уравновешиваются действием заряда обедненного слоя, доноров, т. е. глубина канала определяется соотношением = Сд (фп - t/xp) / {qNjd. (6.32> Управляющая способность затвора и удельная емкость оказываются меньше,, чем в поверхностных ФПЗС; уменьшается в (1-1-1/) раз и Сп.макс (обычно в. 3... 10 раз). В накоплении паразитного заряда Qnap во время фазы хранения определяющую роль играет термогеиерация в объеме, так как при правильном режиме работы поверхностные ловушки «забиваются» фоновым зарядом. Постоянная времени термогенерацни Ттг определяется сечением захвата объемных ловушек Тэто: dQnvldi ~-Чт Ттг=(2опоЧ1Пг)~ (6.33> (Tir»8 мс для кремния; а„о характеризует атом золота). . Максимальной скорости термогенерация достигает при времени хранения /хр~ ~(2... 3)ттг, которое и определяет низкочастотную границу ФПЗС (fTaKT!4nn~ 10... 100 Гц). При анализе процесса передачи из элемента 2 в элемент 3 (см, рис. 6.8) лредставляют интерес три параметра: минимальное управляющее напряжение, при котором может быть осуществлено считывание t/сч.мин, относительные потери заряда 6=1-Qns/Qns и время передачи /пер. Для первого из иих (6.34) Как отмечалось, потери заряда обусловлены рекомбинацией на ловушках Вл (низкие и средние частоты /такт) и неполнотой передачи пакета бпер (вы--сокие частоты /такт): е = бл-Ьепер- (6.35) ..Значение ел зависит от фонового заряда, геометрии прибора, режима его работы, но при этом ел~Лпс. (6.36) где Л/пс - плотность поверхностных состояний. Заряд, не перешедший из ячейки 2 в ячейку 3, практически не зависит от начального значения Qn и очень резко уменьшается при увеличении времени -.передачи; приближенно епер ~ Пакт"-" (6-37) В объемных ФПЗС обе составляющие потерь заряда имеют меньшие значения, -чем в поверхностных. Динамика передачи заряда включает три процесса: диффузионно-дрейфовую экстракцию из ячейки 2, дрейфовый пролет через зазор и накопление в ячейче 3. Обычно инерционность двух последних процессов намного меньше, чем экстракции; поэтому пер ~ эк » В11[1ъфф. (6-38 где В - постоянная, зависящая от С/сч-t/xp, Сп/Сп.макс, Np,. Обычно В =110 ... 15 В-. В объемных ФПЗС время /пер примерно на порядок меньше из-за большей подвижности рэфф (в 2 ... 3 раза) и влияния краевых эффектов. Вблизи краев затвора из-за искривленности потенциальной ямы возникают значительные краевые поля, и носители пролетают эти области очень быстро. Можно считать, что и для объемных ФПЗС справедливо (6.38) с заменой / на 1эфф!»/.-2xo.c. При Z,=5 мкм и Xo.c = l мкм это дает выигрыш в /пер приблизительно в 3 раза. Коэффициент модуляции ЧКХ в достаточно общем виде определяется произведением нескольких сомножителей: М = Мгеоы Лпер ЛГдифф Лдифр- (6.39) ; Геометрический сомножитель, обусловленный конечностью длины электрода, sin [я (Z.3 -f /з) Ки] ,„ .„ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 [61] 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |