Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ:ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРЛ. Лазовский, mailto:leo@inbox.ruЭлектронная версия книги подготовлена фирмой АВТЭКС Санкт-Петербург,http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ruПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРВВЕДЕНИЕТехнический прогресс, помимо очевидных приобретений (не всегда, впрочем,замечаемых неблагодарным человечеством), сопровождается также ибезвозвратными потерями (тоже порой незаметными). Так, широкоераспространение электронных калькуляторов привело к практически полномуисчезновению непременного атрибута инженера многих предыдущих десятилетий– логарифмической линейки, и кошмара школьников прошлых лет – таблицБрадиса.

А кто из читателей сможет вспомнить, когда он последний разпользовался копиркой? Принтеры и ксероксы, стоящие едва ли не в каждойкомнате любого мало-мальски солидного учреждения, избавили тысячи и тысячимашинисток (тоже ведь уходящая профессия!), да и нас, грешных, от этойголовной боли.Похоже, что вслед за этими символами своих эпох уходят и такие, казалось бы,незаменимые вещи, как кино- и фотопленка. Уходят под натиском ПЗС.В этой статье я постараюсь рассказать, как устроены ПЗС (приборы с зарядовойсвязью; в английской аббревиатуре - CCD, charge-coupled devices), как онивозникли и развивались и какое место занимают сейчас. Разумеется, этоизложение ни в коей мере не может претендовать на полноту или объективность(в силу ограниченных возможностей автора и его пристрастности), однако,надеюсь, позволит удовлетворить любопытство тех, кто всегда хочет знать,«а как оно устроено?»В НАЧАЛЕ БЫЛО…Вскоре после того, как был изобретен транзистор и, впоследствии, планарнаятехнология, полупроводниковые приборы заменили вакуумные, либо были близкик этому почти во всех областях электроники, за исключением трех, еще долго неподдававшихся «кремнизации» – генераторные лампы для мощных передатчиков,высоковольтные приборы (кенотроны, рентгеновские трубки...) и приборы для ТВ– кинескопы и передающие трубки.Я полагаю, нет необходимости объяснять, чем твердотельный приёмникизображения лучше, чем вакуумная передающая трубка.

Достаточно сказать, чтопроцессор Пентиум с его 5 миллионами транзисторов потребляет энергиименьше, чем один ламповый триггер, а о массогабаритных показателях,механической стойкости и сроке службы можно не упоминать. Ничегоудивительного, что попытки создать твердотельный аналог передающей трубки –после изобретения компанией Texas Instruments планарной технологии в 1960 г.– не заставили себя ждать. Все такие разработки без исключения представлялисобой матрицу фоточувствительных элементов (как правило, фоторезисторов илифототранзисторов) и схемы сканирования по вертикали и горизонтали (регистрысдвига на биполярных, а позднее и полевых транзисторах).

Число элементовразложения этих датчиков не превышало 256 на 256, а качество изображения с©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–2–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРних было удручающим – как из-за низкой чувствительности, так и, в первуюочередь, из-за числа дефектов, свойственных тогдашнему уровню технологии.Весьма раздражающей для глаза была и структурная неоднородность(выглядевшая как полосатость), связанная с неоднородностью выходныхемкостей шин считывания разных столбцов (или строк – в зависимости оторганизации конкретного прибора).Луч света забрезжил, как это часто бывает, с неожиданной стороны. В 1970 г.сотрудники фирмы Bell Laboratories У. Бойл и Дж.

Смит в поисках электрическогоаналога схем на цилиндрических магнитных доменах предложили ипродемонстрировали экспериментально принцип зарядовой связи. Самый первыйПЗС представлял собой аналоговый (!) регистр сдвига на 8 элементов,изготовленный по p-МОП технологии с молибденовыми затворами, а вскорепоявились и двумерные матрицы. Очень быстро стало ясно, что присущее ПЗСсвойство самосканирования (об этом чуть дальше) устраняет необходимость врегистрах развёртки, создававших столько проблем в предшествующих типахдатчиков.Дальнейший рывок в технологии и параметрах ПЗС был связан с появлениемскрытого канала переноса (об этом тоже ниже) и применением прозрачныхэлектродовизполикристаллическогокремния,чторезкоповысилочувствительность приборов.

Уже в середине 70-х появились первые коммерческиематрицы производства фирм Fairchild, Bell и RCA в США и Philips в Европе,совместимые с ТВ стандартом (т. е. имеющие разрешение по вертикали 476 или576 строк соответственно для американского или европейского стандартовразложения и, по меньшей мере, 350 элементов разложения по горизонтали).

Авскоре в Японии было налажено массовое производство недорогих ПЗСприемлемого качества для бытовой электроники - и на смену кинокамерам вмассовом порядке пришли видеокамеры.Революционное воздействие оказали ПЗС на астрономию, где их появление постепени влияния сравнимо разве что с тем, которое оказало применение вкачестве средства регистрации фотопластинок вместо человеческого глаза(собственно, именно астрономия стала той первой отраслью человеческойдеятельности, где фотоэмульсия уступила место кремнию). С другой стороны, итребования, предъявляемые астрономией, особенно космического базирования, кПЗС, стимулировали развитие технологии их изготовления, и ныне приборы счислом элементов 4096 на 4096 и с квантовым выходом около 90% уже неявляются экзотикой.Ну и, наконец, микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение ивидеоконференции, системы ориентации космических аппаратов и считывателиштрих-кода, телефакс и сканер...

- всё это тоже стало возможным и доступнымблагодаря ПЗС.Итак…©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–3–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРКАК ЖЕ ОНИ УСТРОЕНЫ?Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям функциональнойэлектроники, то есть их нельзя представить как совокупность транзисторов илиже конденсаторов. Сам же принцип зарядовой связи весьма прост и основан надвух равно фундаментальных положениях: 1) одноимённые зарядыотталкиваются, и 2) рыба ищет где глубже. Для начала представим себе МОПконденсатор (сокращение от слов металл - окисел - полупроводник).

Это то, чтоостаётся от МОП-транзистора, если убрать из него сток и исток, то есть простоэлектрод, отделённый от кремния слоем диэлектрика. Для определённости будемсчитать, что полупроводник - p-типа, т. е. концентрация дырок в равновесныхусловиях много (на несколько порядков) больше, чем электронов.Что будет, если на такой электрод (его называют затвором) податьположительный потенциал? Первый ответ, который приходит на ум, – «ничего небудет, поскольку диэлектрик не проводит электричества» – не совсем верен, ибоэлектрическое поле через диэлектрик проникать может. И когда электрическоеполе, создаваемое затвором, проникая в кремний сквозь диэлектрик, отталкиваетподвижные дырки; возникает обеднённая область – некоторый объём кремния,свободный от основных носителей.

При параметрах полупроводниковыхподложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм.Напротив, электроны, если они каким-либо образом (например, в результатефотогенерации) окажутся вблизи, притянутся к затвору и будут накапливаться награнице раздела окисел-кремний непосредственно под затвором, т.е. как бысваливаются в яму, которая совершенно официально называется потенциальнойямой (Рис.1а).

При этом электроны по мере накопления в яме частичнонейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и вконце концов могут полностью его скомпенсировать, так что всё электрическоеполе будет падать только на диэлектрике, и всё вернётся в исходное состояние(так что действительно «ничего не изменилось» - почти!) – за тем исключением,что на границе раздела образуется тонкий слой электронов.Рис.1а. Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору.©Л.

Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–4–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРПусть теперь рядом с затвором расположен ещё один, и на него тоже поданположительный потенциал, причём больший, чем на первый (Рис.1б). Так вот,если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальны ямыобъединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме,перемещаются в соседнюю, если её потенциал выше (т.е.

если она глубже), вполном соответствии с упомянутым выше фундаментальным принципом. Теперьуже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то можно, подаваяна них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованныйзарядовый пакет вдоль такой структуры.Рис.1б. Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов.Заряд перетекает в яму, в которой потенциальная яма глубже.Замечательное свойство ПЗС – свойство самосканирования – состоит в том, чтодля управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовыхшин. Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточнотрёх электродов: одного передающего, одного принимающего и одногоизолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга,причём одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другомв единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (Рис.1в).

Этои есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС.Рис.1в. Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.Заряд в каждой потенциальной яме разный!©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–5–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРРис.1г. Тактовые диаграммы управления трёхфазным регистром -это три меандра, сдвинутые на 120°°.Рис.1д. Вид на регистр «сверху».