Прибор с зарядовой связью (стр. 8 из 9)
Рис.20. Схема многоразрядного распределенного усилителя с плавающими затворами:
1 - выходной сдвиговой регистр; 2 - дополнительный сдвиговой регистр с увеличенной площадью ПЗС-элементов; 3 - усилители зарядовых сигналов.
Усиленные зарядовые сигналы поступают в дополнительный сдвиговой регистр с большей площадью затворов. Оба регистра управляются одинаковыми тактовыми импульсами и передача зарядов в них осуществляется синхронно. В каждом бите дополнительного регистра к передаваемому зарядовому пакету добавляется соответствующий ему усиленный заряд. Так как усиление выходных сигналов осуществляется многократно, в различных элементах, и в разные моменты времени, то все флюктуации усредняются.
Структура усилителя (рис.21а) включает в себя тактовый электрод, под которым расположен плавающий затвор. При поступлении тактового импульса зарядовый пакет из предыдущего ПЗС-элемента перетекает (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в потенциальную яму рассматриваемого ПЗС-элемента и вызывает изменение потенциала на плавающем затворе, который выступает из-за плоскости ПЗС-элемента. Выступающая часть является затвором МДП-транзистора, контролирующего передачу усиленного зарядового пакета (также в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в выходные ПЗС-элементы большей площади.
Рис.21. Структура (а) и эквивалентная схема (б) усилителя с плавающим затвором: 1 - тактовый электрод; 2 - плавающий затвор; 3 - потенциальная яма ПЗС; 4 - канал МДП-транзистора; 5 - каналоограничивающие n+-области
В соответствии с эквивалентной схемой усилителя (рис.21,б) начальное напряжение, устанавливающееся на плавающем затворе (узел I) после прихода тактового импульса (но до наступления зарядового пакета Q), равно:
φ1 = U'фС2/[С2 + С1 С3(С1 + С3) + С4 + Свх], (8)
где С2 — емкость конденсатора, образованного тактовым электродом и перекрывающейся частью плавающего затвора; d— емкость диэлектрика, расположенного под перекрывающейся частью плавающего затвора; С3 - емкость поверхностного обедненного слоя ПЗС-элемента; С4 -емкость между плавающим затвором и каналоограничивающей п+- диффузионной областью; Свх - емкость выступающего участка плавающего затвора на подложку. Нетрудно убедиться, что после прихода Qизменение потенциала Δφ1 составляет:
Δφ1/Q= -[ С2 + С4 + Свх+ х(С1 + С2 + С4 + Свх)]-1 (9)
Знак минус в (7) отражает тот факт, что увеличение заряда Q вызывает уменьшение потенциала плавающего затвора.
Изменение потенциала Δφ1 вызывает изменение тока стока МДП-транзистора. Если его крутизна равна g = dIc/dU3, то коэффициент усиления заряда AQравен:
AQ = QY/Q
( Δφ1/Q)·g·ty . (10)где Qy — усиленный заряд, ty— длительность стробирующего импульса, открывающего цепь передачи заряда через МДП-транзистор.
Кроме усиленного информационного заряда в ПЗС-элементы выгодного регистра поступает фоновый заряд Qф, обусловленный начальным смещением φ1 затвора МДП-транзистора:
Qф=ICtY(11)
Величина фонового заряда флюктуирует и связанные с этим шумы равны:
. (12)Отношение сигнал/шум в одном разряде РУЛЗ равно:
. (13)Если использовать обычную модель МДП-транзистора:
, вычислить крутизну gи подставить выражения для gи Iс в (11), то получим, что ks/Nне зависит от режима МДП-транзистора:kS/N = Δφ12{kty/[q(1+x)]}1/2, (14)
где k— удельная крутизна МДП-транзистора, х — коэффициент влияния подложки.
Из (14) следует, что существует оптимальная величина емкости выступающей части плавающего затвора Свх опт, при которой kS/Nмаксимален. Из условия dkS/N/dCBХ = 0, используя также (8) и (12), получим
Свх опт = С2+С2+С1х/(1+х). (15)
Однако реально МДП-транзистор работает в режиме микротоков, в котором его характеристики отклоняются от обычной модели. Поэтому kS/Nзависит от режима и более точно оптимальное значение Свхопт можно определить с помощью экспериментальных вольтамперных характеристик.
Так как РУПЗ содержит NBblХ разрядов, то суммарное усиление информационного заряда будет в NBblХ раз больше (по сравнению с одним разрядом), а суммарные шумы увеличатся только в (NBblХ )1/2 раз. Следовательно, kS/Nв многоразрядовом усилителе пропорционален (Nnux) 1/2 и требуемое значение kS/Nможет быть достигнуто с помощью определенного числа разрядов РУПЗ.
Для получения kS/N =5 при зарядовом сигнале Q = 10-5 пК. (что соответствует 60 электронам) требуется 12 разрядов усилителя. Изменение потенциала плавающего затвора от такого заряда очень мало,
150мкВ. Поэтому для реализации РУПЗ необходимы высокостабильные источники питания. Площадь ПЗС-элементов в РУПЗ определяется из условия размещения в потенциальной яме последнего элемента суммарного усиленного информационного зарядового пакета и суммарного фонового заряда.Еще одной возможной областью применения ФСИ на ПЗС являются астрономические приборы и фотодатчики для регистрации элементарных частиц. В этих приборах используется четкая геометрическая фиксация элементов ФСИ, позволяющая с высокой точностью определять координаты требуемого элемента изображения.
В заключение подробнее остановимся на использовании ПЗС в системах формирования сигналов ИК изображений. Существуют три области для их применения: уплотнение с помощью ПЗС информации, снимаемой с ИК приемника; организация временной задержки и интегрирования снимаемой информации; непосредственная регистрация ИК сигналов с помощью ПЗС, сформированные на полупроводниках с узкой запрещенной зоной.
Входы матрицы ПЗС, используемой для уплотнения информации, через емкостные связи соединяются с выходами приемников ИК излучения (рис.22). В каждом ПЗС-элементе образуется зарядовый пакет, пропорциональный выходному напряжению соответствующего приемника. Затем картина зарядов сканируется (передается) на выход. Применение ПЗС в этом случае позволяет осуществлять уплотнение информации внутри самого дьюара (используемого для охлаждения ИК приемников), что приводит к уменьшению количества выводов из дьюара и к минимизации тепловой нагрузки. С этим методом применения связаны две проблемы: перекрестные помехи между каналами, обусловленные потерями зарядов при переносе, и шумы, возникающие при инжекции в ПЗС зарядов.
При использовании ПЗС для получения временной задержки и интегрирования сигналов каждый ПЗС-элемент соединяется с соответствующим ИК приемником. ИК изображение перемещается относительно матрицы приёмников с некоторой скоростью и каждый элемент изображения последовательно проходит все приемники соответствующего столбца матрицы (рис.23). Перенос зарядовых пакетов вдоль цепочки ПЗС-элементов осуществляется с такой же скоростью. В результате время интегрирования изображения увеличивается в kраз, где k—количество элементов в столбце (равное числу строк в матрице ИК приемников).
Рис.22. Использование ПЗС для уплотнения и передачи на выход информации, снимаемой с ИК приемников:
1- ИК приемники; 2-буферные элементы; 3 - ПЗС
Рис.23. Использование ПЗС для временной задержки и интегрирования снимаемой с ИК приемников информации:
1 - ИК приемники; 2 - буферные элементы; 3 - ПЗС. Направления, а также скорости перемещения ИК изображения (4) и передачи зарядов вдоль ПЗС (5) совпадают.
Если матрица содержит rтаких столбцов, то общее количество соединений между матрицей приемников и ПЗС составляет kr. Надежное изготовление большого числа внутрисхемных соединений является сложной технологической задачей при создании подобных систем.
В третьем варианте, названном ИК ПЗС, сами ПЗС используются для регистрации и формирования сигналов ИК изображений. В этом случае организация матрицы такая же, как в светочувствительных ПЗС. Основные проблемы ИК ПЗС следующие. Для восприятия ИК излучения необходимы узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны которых (определяющая положение максимума поглощения) соответствует окнам атмосферной прозрачности для ИК излучения: 2—2,5; 3,5—4,2; 8—14 мкм. Подходящие материалы имеются среди бинарных и тройных соединений типа АIIIВV, AIIIBVI, AIVBIV, например InAs, InSb и т. д. Технология изготовления МДП-структур на таких материалах пока недостаточно отработана. Создание ИК ПЗС на несобственном полупроводнике также представляет известные трудности.
Вторая проблема связана с высоким уровнем фонового излучения в ИК области спектра и низкой контрастностью ИК изображений. Это приводит к накоплению в потенциальных ямах ПЗС большого паразитного заряда. Низкая контрастность накладывает жесткие требования на допустимую величину неравномерности фоточувствительности (от элемента к элементу), которая не должна превышать нескольких процентов. Такое ограничение обусловливает жесткие требования к технологии, особенно к фотолитографии.
В последнее время определенные успехи достигнуты в технологии МДП-структур на InSb с пленкой оксини-трида кремния в качестве диэлектрика (полученной с помощью осаждения) и нихромовым затвором. Плотность поверхностных состояний в таких структурам составляет 1012 см-2, а время релаксации МДП-емкости достигает 0,1 с при температуре 77 К.