3.14 Понятие о приборах с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью (ПЗС или CCD) представляют собой совокупность МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник). Типичный ПЗС создается следующим образом. На полупроводниковой подложке (например, -типа проводимости) формируется тонкий (0.1-0.15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов (из металла или поликристаллического кремния). Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами столь малы, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений.

Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение, то в МДП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо (например тепловых) процессов или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела полупроводник - диэлектрик и локализоваться в узком ( мкм) инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.

Через некоторое время (1-100 с) после приложения напряжения МДП-структура переходит в состояние термодинамического равновесия, характеризующегося образованием стационарного инверсного слоя, концентрация носителей в котором постоянна во времени. В ПЗС используется нестационарное состояние МДП-структуры. Так как скорость термогенерации носителей мала, то потенциальную яму МДП-структуры можно использовать для временного хранения сигнальных зарядовых пакетов. Максимальное время хранения в основном ограничено процессами термогенерации электронно- дырочных пар на поверхности и обедненном слое. Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает сигнальный, соответствующий хранению цифровой или аналоговой информации. Максимальное время хранения определяется как свойствами полупроводника, так и допустимой степенью искажений и составляет в реальных устройствах (без принудительного охлаждения) единицы или десятки миллисекунд.

ПЗС представляет собой совокупность МДП-структур, сформированных на подложке таким образом, что они оказывают взаимное влияние друг на друга вследствие взаимодействия приложенных внешних электрических полей. Взаимодействие соседних потенциальных ям возникает либо благодаря малому (0.1-1 мкм) расстоянию между соседними электродами, либо при создании специальных легированных областей, сформированных в полупроводнике и электрически связывающих соседние потенциальные ямы. Благодаря взаимодействию соседних потенциальных ям можно осуществлять направленную передачу зарядов. Процессом такой передачи управляют специальные периодические последовательности электрических импульсов, подаваемые на электроды.

Если ПЗС осветить, то поглощаемые в полупроводнике фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обедненном слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника. Величина зарядового пакета, накапливаемая в данном элементе, в первом приближении пропорциональна усредненному по площади элемента потоку фотонов и времени накопления. Использование ПЗС в астрономической практике в условиях низкой освещенности обычно требует больших времен накопления сигнала (секунды и десятки секунд). Для ослабления влияние термогенерации паразитного сигнала в этих случаях необходимо охлаждать приемник.

Характерные значения интегральной квантовой эффективности ПЗС (с учетом эффектов отражения и поглощения света) составляют 0.2-0.4. Как и другие полупроводниковые детекторы, ПЗС имеют определенную область спектральной чувствительности. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1.1 мкм. Коротковолновая граница равна 0.4-0.5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в тонком приповерхностном слое, в котором одновременно с фотогенерацией носителей интенсивно происходит их рекомбинация. Фоточувствительные ПЗС принципиально могут быть реализованы на разнообразных полупроводниковых материалах (с разной шириной запрещенной зоны), что позволяет перекрыть широкую область спектра, включая инфракрасный диапазон.

Световая чувствительность МДП-структуры сильно зависит от характеристик отражения покрытия, которое в общем случае является многослойным. Если в качестве электродов используются металлы (Al, Mo и т.д.), непрозрачные для видимого света, то свет проходит в специально сформированные окна или в зазоры между электродами. В этом случае оптическое пропускание определяется системой воздух-диэлектрик-полупроводник (обычно, воздух-SiO-Si). Если используются полупрозрачные электроды из поликристаллического кремния, то свет проходит в системе: воздух-защитный слой  SiO-поликремний-подэлектродный слой SiO- Si.

Существуют два способа засветки ПЗС: прямая (со стороны электродов) и обратная. Прямая засветка характеризуется низким коэффициентом пропускания из-за непрозрачности электродов. Этот недостаток принципиально неустраним. Широко используемые в технологии ПЗС поликремниевые электроды, хотя и являются полупрозрачными, плохо пропускают излучение сине-голубой области спектра. Вследствие интерференционных эффектов, возникающих в многослойной структуре, на спектральной характеристике появляются пики и провалы.

Рис. 3.11: Спектральная чувствительность ПЗС

При обратной засветке излучение проходит через подложку, прозрачность и однородность которой значительно выше. Важной особенностью режима обратной засветки является сильное диффузионное расплывание зарядового пакета, так как расстояние, которое должны пройти заряды от зоны фотогенерации до обедненного слоя значительно больше, чем в режиме прямой засветки. Спектральная характеристика при этом имеет вид плавной кривой. Длинноволновая граница определяется краем фундаментального поглощения, при котором энергия фотонов равна ширине запрещенной зоны кремния. Оптимизация толщины слоев многослойного покрытия позволяет повысить коэффициент пропускания. Другим способом повышения этого коэффициента и, следовательно, улучшения спектральной чувствительности является замена электродов из поликремния на проводящие окислы металлов (олова, индия, сурьмы), характеризующиеся более высокой прозрачностью, в том числе, и в сине-голубой области спектра.

Типовые спектральные характеристики фотоприемных ПЗС показаны на рис.3.11.