Прибор с зарядовой связью стал возможен благодаря двум вещам: удивительному классу материалов, которые создала природа, — полупроводникам, и смекалке исследователей, которые придумали, как в полной мере использовать их свойства. Бойл и Смит, будучи сотрудниками знаменитой лаборатории Bell Labs (на счету которой, кстати, уже семь Нобелевских премий, но которая, несмотря на это, решила в прошлом году прикрыть свою группу фундаментальных исследований), получили задание придумать эффективное полупроводниковое устройство для записи и считывания информации, в котором информация хранилась бы в виде микроскопических «облачков заряда». Цель этого задания — составить конкуренцию другому подразделению той же Bell Labs, в котором уже полным ходом шла разработка элементов памяти на основе «магнитных пузырьков». При этом ни о какой светочувствительности речь пока не шла — задача касалась только устройства для хранения и считывания информации.
В памятный день 17 октября 1969 года Бойл и Смит взялись за эту задачу и буквально в течение часа набросали на доске прототип требуемого устройства с зарядовой связью. Ключевым его элементом является простейшая МОП-структура («металл—оксид—полупроводник») — слойка, состоящая из металлического слоя и слоя полупроводника, разделенного тонкой прослойкой изолятора, обычно оксида кремния (см. рис. 5). Полупроводник при этом выбирается такой, в котором главными носителями заряда являются не электроны, а «дырки», то есть полупроводник p-типа (простейшее введение см. на страничке Электрический ток в полупроводниках). К металлическому «пятачку» подходит электрод, и на него может подаваться нужное напряжение.
Роль «бита» в таком устройстве должно играть облачко электронов. Однако хранить его в полупроводнике p-типа просто так не получится: «дырки» тут же набегут и «поглотят» все свободные электроны. Поэтому требуется создать небольшую область, в которой дырок будет очень мало, и одновременно сделать так, чтоб электроны никуда из этой области не разбежались. Оба этих требования удовлетворяются единым махом, если на металлический электрод подать положительное напряжение. Под действием возкникшего электрического поля дырки из-за своего положительного заряда уйдут прочь из небольшой зоны, расположенной прямо под электродом, а электроны — наоборот, будут в ней «сидеть» и никуда не уходить. Образуется «ловушка для электронов», которая и хранит информацию. Если в ловушке есть электроны — в ячейке записана «единичка», если нет — «нуль».
Впрочем, тут же возникает вопрос: а как считывать эту информацию? Стоит только «отпустить» положительное напряжение, как электронное облачко исчезнет. Вот для этой цели Бойл и Смит и придумали новый метод передачи данных, названный зарядовой связью (рис. 6).
Пусть у нас есть ряд из МОП-структур — этакая одномерная ПЗС-матрица. К каждой ячейке памяти подходят электроды; кроме того, имеются и вспомогательные, не информационные МОП-структуры, разделяющие ячейки памяти. При хранении информации на информационных ячейках подано нужное напряжение, а на вспомогательных — нет. Затем разом на все соседние ячейки — скажем, справа — тоже подается нужное напряжение, и в результате каждая «ловушка для электронов» расширяется на две ячейки. Следующим шагом напряжение с исходных ячеек снимается, «ловушка для электронов» снова сжимается, но при этом она уже переместилась на шаг вправо, и все электроны послушно перетекают за ней. Таким образом, информация во всех ячейках памяти синхронно сдвинулась вправо. Так продолжается цикл за циклом, а на выходе из этой «линейки» стоит одно-единственное считывающее устройство, которое просто воспринимает приходящий на него заряд и выдает обычный цифровой электрический сигнал.
Для двумерной ПЗС-матрицы принцип считывания аналогичен (см. рис. 7). Первым делом вся матрица синхронно сдвигается на один регистр вниз, затем с самой нижней линейки (и только с нее одной) считывается поступившая колонка битов так, как описано выше. После этого вся матрица снова сдвигается на один регистр вниз, с нижней линейки снова считывается информация, и так далее. В результате в очень компактной полупроводниковой конфигурации и с помощью одного-единственного устройства, детектирующего пришедший заряд, можно последовательно, строчка за строчкой, считать весь массив данных.
До сих пор речь шла только о манипулировании ячейками памяти и считывании информации. Однако эту информацию вовсе не обязательно туда записывать — она могла возникнуть там самостоятельно при облучении ПЗС-матрицы светом. Так получается потому, что полупроводник обладает еще одним уникальным свойством — светочувствительностью. Световые фотоны, попадая внутрь полупроводника, порождают в нем пары электронов и дырок. Если такой процесс происходит в МОП-структуре, в пределах изначально пустой «ловушки для электронов», то электроны оседают в ней, а дырки уходят прочь. В результате с течением времени в ловушке накапливается заряд, примерно пропорциональный поглощенному световому потоку. Получается, что МОП-структура работает как светочувствительный пиксел с довольно большим диапазоном градаций яркости. И если теперь в процессе считывания устройство будет не просто детектировать отсутствие или наличие заряда в очередной ячейке памяти, но и сможет измерить накопившийся заряд, то у нас и получится самое настоящее оптическое изображение, записанной сразу в цифровом виде.
Конечно, современные ПЗС-матрицы значительно совершеннее, чем эта простейшая схема. Современная ПЗС-матрица умеет распознавать цвета, знает, как избежать переполнения «ловушек для электронов», да и сама она построена по усовершенствованной полупроводниковой технологии. Некоторые подробности можно найти в статьях Тенденции в цифровой фотографии, часть 3 и Сердце цифровой камеры: ПЗС-матрица.
Ну а что касается применений ПЗС-матриц, то они давно вошли в нашу жизнь в виде компактных цифровых фото- и видеокамер. Миниатюрные размеры ПЗС-матриц привели к революции и в медицинском деле, поскольку резко расширили как диагностические (например, при различных вариантах эндоскопии), так и оперативные возможности врача. Благодаря им развилась техника минимально инвазивной хирургии (лапароскопия). Кроме того, сейчас ПЗС-матрицы широко используются не только для детектирования оптического излучения, но и в других областях спектра, в частности они применяются в малодозных цифровых рентгеновских установках. На основе ПЗС функционируют вершинные детекторы для регистрации элементарных частиц, рождающихся на современных коллайдерах. ПЗС матрицы стоят во всех современных телескопах, включая космические. Но началось всё именно с догадки Бойла и Смита о том, как хранить и последовательно передавать «облачка электронов» в полупроводнике.
Источники:
· The Nobel Prize in Physics 2009 — официальная информация от нобелевского комитета.
· Tutorial on Fiber Optics — краткое введение в технологии оптоволоконной связи.
· История производства и физические параметры световодов [http://nag.ru/wiki/index.php/История_производства_и_физические_параметры_световодов] — краткий экскурс в историю и технологии производства.
· М. П. Петров. Световолокна для оптических линий связи // Соросовский образовательный журнал, 1996, №5, стр. 101–108.
· В.В.Шевченко, Физические основы современных линий передач сигналов // Соросовский образовательный журнал, 1997, №3, стр. 100–106.