Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы.

Неизвестный Сергей Иванович
Никулин Олег Юрьевич

История развития

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) относятся к классу твердотельных полупроводниковых приемников.

Первыми приемниками такого типа были фотодиоды и уже на заре своего появления они позволили сделать гигантский скачок в области регистрации световых потоков и изображений. Достаточно упомянуть в качестве примера удачную регистрацию с помощью фотодиода явления солнечного затмения, наблюдавшегося берлинскими учеными в Египте в 1911 году.

С тех пор прошло много времени, фотодиоды совершенствовались, но их основной недостаток — одноканальность, все же не позволил им найти широкого применения. С конца 30-х годов среди светоприемников начали появляться телевизионные трубки, завоевавшие к концу 70-х лидирующее положение в этой области.

Было разработано сравнительно много приборов различных типов: ортиконы, изоконы, секоны, видиконы, плюмбиконы (в телевизионном вещании трубки с обратным пучком), кремниконы и суперкремниконы, диссекторы (специализированные трубки с повышенной квантовой эффективностью) и т.д.

Все они имели ряд серьезных недостатков: большие размеры, низкую квантовую эффективность (на уровне 5-10%), малый динамический диапазон и т.д.

Революционное изменение ситуации произошло с появлением твердотельных полупроводниковых приемников нового поколения. Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95-98%, т.е. практически каждый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100% вероятностью.

В 1970 году были созданы первые приборы с зарядовой связью, в которых технология твердотельных приемников проявилась особенно успешно.

Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители фотодиодов, матриц фотодиодов. С наибольшим успехом ПЗС-матрицы регистрировали слабые световые потоки в таких отраслях, как микробиофизика, химическая физика, ядерная физика, астрофизика.

С 1975 года ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприёмников. А в 1989 году ПЗС-детекторы применялись уже почти в 97% всех телевизионных приемников. Для сравнения, 10 годами ранее ПЗС были представлены всего двумя процентами.

Долгое время широкому применению ПЗС-приемников в телевизионной технике препятствовали недостатки в технологиях изготовления светочувствительных элементов кристаллических основ необходимого размера. Светоприемная область была неоднородна по квантовому выходу, наблюдалась заметная геометрическая нестабильность (плавающее низкое разрешение), присутствовали разного рода шумы как на малых масштабах (от пиксела к пикселу), так и на больших пространственных масштабах (на шкалах 10-100 пиксел).

Фото 1.
Фото одной из первых советских ПЗС матриц (размер светочувствительной области 20х2 пиксела)

Только с развитием и совершенствованием технологии создания ПЗС и с существенным скачком в развитии сопутствующих электронных средств и, прежде всего, с увеличением мощностей и быстродействия АЦП, стало возможным более широкое применение ПЗС.

Поставив на конвейер производство изначально дорогих чипов, многие фирмы добились резкого снижения их себестоимости. Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение их габаритов и веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в эксплуатации позволили применять их не только в профессиональных студиях, в научных исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. Сегодня телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами пиксела в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной микровидеотехники.

Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется несколькими фирмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. Хотелось бы поставить в один ряд с этими мастодонтами и российскую фирму Научно-производственное предприятие “Силар (бывший отдел по разработке твердотельных приемников изображения ЦНИИ “Электрон”) из Санкт-Петербурга, которая является единственным в России производителем ПЗС-матриц, применяемых в научных, охранных и других целях.

Физические принципы работы ПЗС-матрицы

Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры) научились получать в конце 50-х годов. Были найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника. Тем самым уже через 10 лет были заложены предпосылки для изобретения приборов с зарядовой связью.

С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью.

На рис. 1 показана структура одного элемента, линейного трехфазного ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним происходит накопление заряда. Полупроводник р-типа, получают добавлением (легирование) к кристаллу кремния акцепторных примесей, например, атомов бора. Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные положительно заряженные носители — дырки. Дырки в полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда: свободных электронов там очень мало. Если теперь подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным электродом образуется область обедненная основными носителями — дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это означает, что под электродом формируется потенциальная яма.

Рис. 1.
Элемент трехфазного П3С. Пиксел – элемент изображения.

В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда, в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда — электрон и дырка. Электростатическое поле в области пиксела растаскивает” эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается.

Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода, будет уменьшен (см. рис. 2). Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо, по рисункам). Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Рис. 2.
Перенос зарядов в трехфазном ПЗС.

Типы и строение ПЗС-матриц для систем охранного телевидения

Большинство типов ПЗС-матриц, изготавливаемых на промышленной основе, ориентированы на применение в телевидении, и это находит отражение на их внутренней структуре.

Как правило, такие матрицы состоят из двух идентичных областей — области накопления и области хранения. Устройство схематически показано на рис. 3.

Рис. 3.
Структура ПЗС с кадровым переносом.

По отношению размеров областей хранения и накопления матрицы делятся на 2 типа:

• матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки;
• матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки.

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Очевидно, что для работы таких матриц требуется оптический затвор.

Область хранения защищена от воздействия света светонепроницаемым покрытием. Во время обратного хода луча кадровой развертки телевизионного монитора изображение, сформированное в области накопления, быстро переносится в область хранения и, затем, пока экспонируется следующий кадр, считывается построчно с частотой строчной развертки в выходной сдвиговый регистр. Параллельный перенос строки в регистр считывания происходит во время обратного хода строчной развертки. Из сдвигового регистра зарядовые пакеты выводятся друг за другом, последовательно через выходной усилитель, расположенный на этом же кристалле кремния. В этом узле происходит преобразование заряда в напряжение для дальнейшей обработки сигнала внешней электронной аппаратурой. Такие приборы называются ПЗС с кадровым переносом. Они широко используются в бытовой видеотехнике, особенно любительской, благодаря их низким ценам. Приборы с кадровым переносом можно использовать для съемок в хорошо освещенных условиях. Применение подобных ПЗС позволяет использовать видеокамеры без дорогостоящих механических затворов.

ПЗС, сконструированные для применения в условиях слабой освещенности, как правило, изготавливаются без области хранения и часто имеют два сдвиговых регистра на противоположных сторонах прибора, как, например, ПЗС фирмы Tektronix ТК512. Изображение можно сдвинуть в любой из этих регистров, которые могут отличаться конструкцией выходного узла. Обычно, один из них оптимизируется для медленных скоростей считывания, другой для быстрых. На время вывода сигнала такая матрица должна быть экранирована от света. Для этого чаще всего используют механические затворы.

ПЗС с черезстрочной (межстрочной) разверткой хорошего качества современной разработки выпускает, например, фирма Philips. Такими матрицами снабжены телекамеры серии LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 снабжена автоматическим электронным затвором 1/50 — 1/100000 сек, работающим с форматом матрицы 1/3 дюйма и размером 752х582 пиксел.

Самые простые по устройству ПЗС состоят из электродной структуры, осажденной прямо на слой изолятора, сформированного на поверхности пластины однородно легированного р-кремния. Заряд накапливается и переносится непосредственно в приповерхностном слое полупроводника. Такие приборы называются ПЗС с поверхностным каналом. Для поверхностного слоя характерно большое количество дефектов, что негативно влияет на эффективность переноса зарядов. Заряды захватываются на дефектах поверхностного слоя и медленно высвобождаются. Это приводит к размазыванию изображения. Дефекты поверхностного слоя могут также спонтанно эмитировать заряды, приводя к увеличению темнового сигнала (тока). Поверхностные состояния являются фактором, ограничивающим работоспособность ПЗС. Полностью избавиться от поверхностных состояний невозможно, но можно значительно улучшить характеристики прибора, храня и передавая зарядовые пакеты на некотором удалении от поверхности кристалла, т.е. сформировав объемный канал переноса. Этого результата можно достичь, если на подложке р-типа создать под окислом тонкий n-слой. Подобные приборы называются ПЗС с объемным каналом. Аналогичные рассуждения справедливы и относительно конструкции выходного усилителя, т.к. поверхностные дефекты могут очень сильно увеличивать шум усилителя. Выходной усилитель с объемным каналом имеет значительно лучшие характеристики.

Толщина рабочей части приборов с зарядовой связью составляет единицы микрон. Изготавливаются они, как правило, на основе очень тонких полупроводниковых плёнок, выращенных на сравнительно толстом основании — подложке. Для выращивания плёнок на подложках разработано несколько методов, носящих общее название эпитаксиальных. Термин “эпитаксия” составлен из двух греческих слов: “эпи” (на, поверх) и “таксис (расположение в порядке). Очень удачный термин, напоминающий о том, что речь идет о выращивании поверх подложки монокристаллического (упорядоченного) слоя материала. Выращенные эпитаксиальные пленки гораздо меньше загрязняются посторонними примесями. В процессе эпитаксии возможно строго контролируемое легирование растущего слоя.

Электроды ПЗС-матриц

Электроды ПЗС в течение некоторого времени после изобретения чаще всего изготавливались в одном слое металла. Слой алюминия толщиной около 1 мкм наносили на прибор испарением. Затем путем фотолитографии формировали электроды. Наиболее критичным этапом в технологическом цикле изготовления одноуровневой структуры этого типа является вытравливание межэлектродных зазоров. Для обеспечения хорошего переноса зарядовых пакетов надо, чтобы потенциальные ямы соседних электродов перекрывались. Глубина потенциальной ямы зависит от степени легирования кремния и величины приложенного к электроду потенциала. Типичные значения — единицы микрон. Отсюда следует, что межэлектродные зазоры не должны быть больше единиц микрон. Суммарная длина этих узких зазоров в больших приборах весьма велика.

Для слаболегированного материала подложки (концентрация атомов акцептора около 10¹⁵ 1/см³, толщина окисла 0.1 мкм и умеренный размах тактовых импульсов порядка 10 В) обедненный слой проникает в кремний на глубину примерно 1 мкм. Вспомним, что в каждом кубическом сантиметре твердого вещества содержится примерно 10²² атомов. Концентрация 10¹⁵атомов примеси в 1 см³ соответствует 1 атому примеси на 10 миллионов атомов Si.

Понятно, что любое случайное замыкание соседних электродов, произошедшее на одной из операций технологического цикла, полностью выведет прибор из строя. Последующее развитие ПЗС-технологии было направлено на создание структур, свободных от недостатков первых технологий и работающих с более простыми управляющими напряжениями.

П3С для применения в качестве приемников изображения изготавливают с поликремниевыми электродами (кремний, осаждаемый из газовой фазы). После легирования бором или фосфором для достижения достаточно низкого сопротивления его можно использовать в качестве проводящего слоя. Термическое же окисление поликремния позволяет получить качественный межфазный диэлектрик, а его прозрачность облегчает использование ПЗС в качестве приемников изображения. Применение этой технологии позволило осуществлять регистрацию света не со стороны электродов (такой тип регистрации имеет много недостатков, так как полезный световой сигнал частично виньетируется электродами), а с противоположной стороны. Такие матрицы называются back illuminated.

Благодаря применению новейших высокоточных технологий в изготовлении ПЗС, эти приемники излучения в настоящее время стали доминирующими в телевизионных системах и вывели их на принципиально новый уровень, существенно расширив функциональные возможности ПЗС и сделав доступными по себестоимости для широкого применения.