ПЗС матрицы

  Упрощенно прибор с зарядовой связью можно  рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов.

  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.

  Перенос зарядов в трехфазном ПЗС.

  Считывание  фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

  Подача  потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что  перемещение зарядов потенциальных  ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.

  В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов  из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем  следующую и таким образом  сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива  фототоков. В свою очередь, входной  параллельный поток для последовательного  регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных  последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция  в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

  «Вертикальные»  последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.