6.15. Приборы с зарядовой связью

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рисунке 6.19 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП-структур. Величина зазора между соседними МДП-структурами невелика и составляет 1-2 мкм. ПЗС-элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

Рис. 6.19. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью

Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения V_G1 на затвор 1-го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р-типа это соответствует формированию под затвором 1-го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τ_ген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС-элементах должны проходить за времена меньше τ_ген. Пусть в момент времени t₁ >> τ_ген в ОПЗ под затвор 1-го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 6.19б). Теперь в момент времени t₂ > t₁, но t₂ << τ_ген на затвор 2-го ПЗС-элемента подадим напряжение V_G2 > V_G1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2-го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1-м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рисунке 6.19в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2-го ПЗС-элемента, напряжение на затворе V_G1 снимается, а на затворе V_G2 уменьшается до значения, равного V_G1 (см. рис. 6.19г). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС-элемента. Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи t_пер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (t_пер << τ_ген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП-структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (Nss ≈ 10¹⁰ см^-2·эВ^-1) [21, 13, 11, 26].