Приборы с переносом заряда - Секен К., Томпсет М.

Глава 2. Принципы работы приборов с переносом заряда
1. МОП-конденсатор
3. Интегральные приборы типа пожарных цепочек
3.2. Пожарные цепочки на канальных транзисторах
3.3. Пожарные цепочки на биполярных транзисторах
Глава 3. Способы физической реализации
1. Электродные структуры
1.2. Структуры с четырьмя электродами на ячейку
1.3. Структуры с двумя электродами на ячейку
1.4. Интегральные приборы типа пожарных цепочек
1.5. Электродные структуры с ячейками минимальных размеров
Глава 4. Физические ограничения
1. Управляющая способность
2.2. Количественные оценки неэффективности переноса
2.3. Общий метод вычисления неэффективности переноса
2.4. Влияние переноса подвижного заряда на неэффективность переноса
2.5. Влияние захвата заряда на неэффективность переноса
3.2. Генерационный шум
3.3. Шум электрической инжекции
4. Линейность
4.2. Оптическая инжекция заряда
5.2. Зависимость темнового тока от времени
5.4. Технологические методы уменьшения темнового тока
1.2. Примеры линейных приемников изображения
2.3. Примеры двумерных приемников изображения
2.5. Обработка сигнала в приемниках изображения
3.3. Квантовая эффективность и спектральная характеристика чувствительности
3.4. Прием изображения при низких уровнях освещенности
5.3. Твердотельные приемники ИК-изображения на ПЗС
5.4. Гибридные приемники ИК-изображения на ПЗС
Глава 6. ППЗ в устройствах обработки сигналов
1. Аналоговые линии задержки
4.2. Фильтры с -настраиваемыми весовыми коэффициентами. Линии задержки с отводами
6. Обработка сигналов в приемниках изображений
7. Генераторы колебаний
Глава 7. Цифровые запоминающие устройства
1. Иерархия запоминающих устройств
2. Емкость памяти и вероятность ошибок в ЗУ на ППЗ
3.2. Организация ЗУ с одним электродом на бит
3.3. Серпантинная и петлевая организации
4. ЗУ на ПЗС с сохранением информации при отключении питания
Глава 8. Двумерные и логические матрицы
1. Двумерные передающие матрицы
1.4. Двумерные фоточувствительные матрицы
Глава 9. Заключение
1. Исследование и расчет ППЗ
4. ППЗ для обработки аналоговых сигналов
6. Двумерные и логические массивы
7. Перспективы развития
Author: Секен К. Томпсет М.
Tags: свойства и структура молекулярных систем электротехника физика математическая физика измерительные приборы главная редакция физико-математической литературы
Year: 1978
Similar
Зарубежная радиоэлектроника 07
Физика полупроводниковых приборов. Книга 1
Физика полупроводниковых приборов
Аналого-цифровое преобразование
Text
                     /
‘•у':
::;Э :
и
?•
44
£


CHARGE TRANSFER DEVICES
Carlo H. SEQUIN
and
Michael F. TOMPSETT
Bell Telephone Laboratories
Murray Hill, New Jersey
Academic Press, INC.
New York San Francisco
London 1975
A Subsidiary of
Harcourt Brace Jovanovich,
Publischers
К.Секен,М.Томпсет
Приборы с переносом
заряда
Перевод с английского
под редакцией
В. В. ПОСПЕЛОВА
и Р. А. СУРИСА
Издательство «Мир»
Москва 1978
Scan AAW
УДК 539.2:621.397
Книга является первой монографией в мировой литературе,
посвященной приборам с переносом заряда (ППЗ), в частности
приборам с зарядовой связью (ПЗС). Она дает полное представ-
ление о принципах работы ПЗС, основных физических процессах
в этих приборах, способах построения различных устройств на
ПЗС, их архитектуре и технологии изготовления. В ней дан под-
робный анализ применений ППЗ в качестве приемников изобра-
жения и в устройствах обработки аналоговой и цифровой ин-
формации.
Книга представляет интерес для исследователей, работающих
в области полупроводниковой электроники, разработчиков полу-
проводниковых устройств, инженеров, создающих системы обра-
ботки и передачи информации, аспирантов и студентов старших
курсов соответствующих специальностей.
Редакция литературы по новой технике
© 1975, Bell Telephone Laboratories, Incorporated
© Перевод на русский язык, «Мир», 1978
С
30407-145
041(01)-78
145-78
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ПЕРЕВОДУ
Не будет преувеличением сказать, что изобретение приборов
с переносом заряда (ППЗ), в частности приборов с зарядовой
связью (ПЗС), явилось крупнейшим событием в развитии полу-
проводниковой электроники. Простой принцип, заложенный в ос-
нову работы приборов с переносом заряда, обеспечил необычай-
ную гибкость и универсальность этих приборов. Именно эти
качества обусловили возможность применения ППЗ для реше-
ния самых разнообразных задач. На основе этих приборов соз-
даны устройства обработки цифровой информации, оперативные
запоминающие устройства большого объема, линии задержки
и фильтры. Но, пожалуй, наиболее впечатляющий пример ис-
пользования ПЗС — это приемники изображения. Только благо-
даря ПЗС удалось, наконец, решить проблему создания растро-
вых безвакуумных передающих телевизионных устройств — ана-
логов видикона.
Бурное развитие этой новой области микроэлектроники было
подготовлено как «идеологически», так и технологически. К мо-
менту появления идеи переноса заряда вдоль поверхности полу-
проводника уже было достигнуто глубокое понимание физиче-
ских явлений в структурах металл — диэлектрик — полупро-
водник, служащих основой ППЗ. Что же касается методов
изготовления таких структур, то они уже были найдены в связи
с успешными разработками больших интегральных схем на
основе полевых транзисторов с изолированным затвором.
Темпы разработки и внедрения приборов с зарядовой связью
не знают себе равных в истории полупроводниковой электроники,
где срок, отделяющий идею от промышленного выпуска прибо-
ров, составлял обычно не менее шести лет. Всего две недели
потребовалось для преодоления пути от исходной идеи ПЗС до
экспериментального образца и еще три-четыре года до появле-
ния в продаже серийных приборов.
За это время в научных журналах появились сотни статей,
в которых освещались различные стороны физических процес-
сов, технологии, конструирования и применения ПЗС. В настоя-
щее время возникла потребность в обобщении накоплен-
ного материала и изложении основных закономерностей и
6
Предисловие к русскому переводу
особенностей ПЗС с единой точки зрения. Предлагаемая моно-
графия Секена и Томпсета представляет собой первую и доста-
точно успешную попытку подобного обобщения. Она дает до-
вольно полное представление о принципах работы ПЗС, основ-
ных физических процессах в этих приборах, о способах построе-
ния различных устройств на ПЗС, их архитектуре, технологии
изготовления и областях применения. Авторы не ограничились
констатацией положения в области исследований и разработок
приборов с переносом заряда, сложившегося к моменту напи-
сания монографии, а дали хорошо обоснованный прогноз их
дальнейшего развития. Прошедшее с момента написания моно-
графии время в общем этот прогноз подтверждает.
Высокие качества монографии обусловлены в значительной
степени тем, что ее авторы активно работают в данной области
и внесли существенный вклад в развитие ПЗС.
Мы надеемся, что предлагаемая монография будет полезной
исследователям, работающим в области полупроводниковой
электроники, разработчикам полупроводниковых устройств, ин-
женерам, создающим системы обработки и передачи информа-
ции, аспирантам и студентам старших курсов соответствующих
специальностей.
Перевод книги выполнен Е. А. Фетисовым (гл. 1,2,5 (разд. 5),
9), В. А. Зимоглядом (гл. 3, 5 (кроме разд. 5)), Б. И. Фуксом
(гл. 4) и В. В. Ракитиным (гл. 6—8).
В. В. Поспелов
Р. А. Сурис
ПРЕДИСЛОВИЕ К АМЕРИКАНСКОМУ ИЗДАНИЮ
Два года назад в серии «Успехи электроники» были опубли-
кованы два обзора, посвященные различным применениям при-
боров с зарядовой связью. Автором одного из обзоров был
д-р Секен, а другого — д-р Томпсет. Затем авторы пришли к вы-
воду, что совместный обзор имел бы много преимуществ.
Поскольку же предмет исследования очень широк и они выра-
зили готовность рассмотреть его более подробно, было решено
выпустить в свет отдельную монографию. В предлагаемой книге
авторы рассмотрели более широкий класс приборов с переносом
заряда, который включает приборы типа пожарных цепочек,
приборы с зарядовой связью, приборы с зарядовой инжекцией
и некоторые другие. Они охватили все аспекты, связанные как
с изучением основных процессов, протекающих в этих приборах,
так и с разнообразными применениями.
Десять-двадцать лет назад было бы удивительным, что
монографию такого объема и уровня можно посвятить прибо-
рам, со дня изобретения которых прошло едва шесть лет.
Сегодня стало привычным чрезвычайно быстрое развитие новых
областей науки и техники. Время между изобретением или от-
крытием и его реализацией с каждым днем все более сокра-
щается.
Мы надеемся, что эта книга понравится всем ее читателям
так же, как она понравилась нам.
Л. Мартон
К. Мартон
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
С момента изобретения в 1969 г. МОП-приборов на пожар-
ных цепочках и приборов с зарядовой связью исследования и
разработки в области приборов с переносом заряда развивались
гигантскими темпами. Основы функционирования и предельные
возможности этих устройств теперь достаточно понятны. Первые
линии задержки, устройства памяти и приемники изображения,
использующие принцип переноса заряда, уже появились на
рынках электронных приборов. В настоящее время стала оче-
видной необходимость в монографии, посвященной этой области
твердотельной электроники.
Мы прекрасно понимаем, что читатели, интересующиеся при-
борами с переносом заряда, имеют не только разную подготовку,
но и различные сферы интересов и надеются найти в этой
книге ответы на самые разнообразные вопросы.
Мы попытались, насколько возможно, учесть интересы каж-
дого читателя. Новичку, который хочет быстро войти в курс
дела й уяснить роль приборов с переносом заряда в различных
областях применения, рекомендуем ограничиться чтением гл. 1,
2 и 9. Разработчики систем на основе приборов с переносом
заряда смогут найти ответы на интересующие их вопросы
в гл. 5—8, в которых достаточно последовательно рассмотрено
применение приборов с зарядовой связью в качестве приемников
изображения, устройств обработки информации, устройств па-
мяти и в специальных системах. Для читателей, которые инте-
ресуются физическими основами переноса заряда, наиболее по-
лезной окажется гл. 4, а разработчики новых приборов в гл. 3
найдут обширный каталог структур, необходимых для конструи-
рования приборов с переносом заряда.
Мы рады воспользоваться предоставившейся возможностью
выразить нашу признательность сотрудникам фирмы Bell Labo-
ratories за ту благоприятную обстановку, которая стимулиро-
вала исследования в области приборов с зарядовой связью,
и участие в претворении основных идей в функциональных
устройствах. Мы также благодарны фирме Bell Laboratories за
предоставленные время и благоприятные возможности для на-
писания этой книги. Чтобы быстрее подготовить ее издание, мы
Предисловие авторов
9
воспользовались множительным оборудованием фирмы Bell La-
boratories, в котором сочетаются возможности вычислительной
техники и фотонабора. Это позволило нам включать новый
материал даже на стадии верстки и существенно сократило
срок издания. Большую помощь при подготовке книги к печати
нам оказали сотрудники Научно-исследовательского центра вы-
числительной техники Б. В. Керниген, М. Е. Леек, М. Д. Макил-
рой, Дж. Ф. Оссанна (мл.) и К. Томпсон и члены группы содей-
ствия Ж. Ф. Маранзано, Дж. С. Фогель.
Р. Д. Берч, В. Ф. Козоноки, Дж. Е. Смит, К. К. Торнбер
и П. К. Ваймер внесли существенные замечания при чтении
рукописи. Более всего мы благодарны многочисленным исследо-
вателям, разрешившим использовать свои графики и резуль-
таты, часть которых ранее нигде не была опубликована. И нако-
нец, мы рады выразить благодарность Джоан Маккарти за
бесценную помощь при перепечатывании следующих один за
другим вариантов рукописи и Маргарет Секен за помощь при
чтении корректуры.
Мы надеемся, что большая часть содержащегося в этой
книге материала выдержит испытание временем. Однако непре-
рывное усовершенствование приборов с переносом заряда, по-
явление новых областей их применения неизбежно потребуют
нового издания этой книги, и мы обещаем это сделать. Нашу
задачу существенно облегчает гибкость запоминающего устрой-
ства ЭВМ, в которое записан текст книги. Мы были бы благо-
дарны читателям за их поправки и замечания, которые помогут
нам при подготовке следующего издания.
К. Секен
М. Томпсет

Глава 1
Введение
Приборами с переносом заряда (ППЗ) называют семейство
функциональных твердотельных электронных устройств, вклю-
чающее интегральные цепочки МОП-транзисторных структур
(или «пожарные цепочки») и приборы с зарядовой связью
(ПЗС). В приборах с переносом заряда при подаче на них
определенной последовательности тактовых импульсов осуще-
ствляется управляемое перемещение зарядов (макроскопических
зарядовых пакетов) вдоль полупроводниковой подложки.
Используя этот механизм, можно обеспечить выполнение таких
совершенно различных функций, как преобразование изображе-
ния в видеосигнал, запоминание информации, обработка анало-
говых сигналов и логические операции. Применение приборов
с переносом заряда приведет к уменьшению габаритов и стои-
мости электронного оборудования для систем связи, ЭВМ и бы-
товой аппаратуры.
Идеи, на которых основаны ППЗ, были высказаны много лет
назад, но интерес к ним усилился лишь начиная с 1970 г., когда
были предложены приборы с зарядовой связью, для образова-
ния которых, по крайней мере в принципе, требуется лишь один
слой металла и совсем не нужны диффузионные области.
Основная идея движения потенциальных ям под электродами,
к которым приложено соответствующее импульсное напряжение,
получила широкое признание, когда научная общественность
оказалась подготовленной к восприятию и развитию новых
представлений. С этого времени темп исследований и разрабо-
ток значительно возрос, и уже сейчас промышленность выпу-
скает несколько видов устройств, предназначенных для совер-
шенно различных областей применения.
Идея запоминающего устройства, в котором используется
заряд, хранящийся на обкладках конденсаторов, была выска-
зана В. К. Зворыкиным еще в 1934 г., когда появились самые
первые телевизионные камеры со сканирующим электронным
лучом и запоминающие трубки [1]. Позднее эта мысль, допол-
ненная указанием на последовательный принцип действия, ис-
пользуемый сейчас в приборах с переносом заряда, была сфор-
мулирована И. Винером: «Одним из простейших способов
12
Глава 1
Фиг. 1.1. Цепи с переносом заряда, в которых использованы различные эле-
менты для связи конденсаторов.
а —цепочки идеальных буферных усилителей и идеальных ключей; б —«пожарные цепочки»
на биполярных транзисторах; в —«пожарные цепочки» на МОП-ПТИЗ; г —схема двух-
тактного способа переноса ведер с водой
хранения информации в течение относительно небольшого вре-
мени является зарядка конденсатора, а если это дополнить
телеграфным повторителем, такой способ становится уже вполне
приемлемым» [2]. В работе [3] предложена та же идея, но в бо-
лее конкретной форме: цепочка идеальных буферных усилителей
и идеальных ключей, которые могли бы передавать аналоговые
сигналы на конденсаторы (фиг. 1.1, а). Позднее такие цепи были
осуществлены с помощью громоздких блоков из радиоламп и
конденсаторов [4]. Это устройство служило регулируемой анало-
говой линией задержки, которую можно было использовать для
коррекции изменений скорости движения ленты в записывающей
Введение
13
аппаратуре. Такие схемы были названы «пожарными цепоч-
ками» по аналогии со старинным способом передачи ведер с во-
дой при тушении пожара (фиг. 1.1,а). В 1967 г. этот принцип
вновь был применен вначале в схемах с биполярными транзи-
сторами (фиг. 1.1, б) [5, 6], а затем в схемах на полевых МОП-
транзисторах с изолированным затвором (ПТИЗ) (фиг. 1.1, в)
[7, 8]. Полностью интегральный вариант' этих схем ныне изве-
стен как приборы типа «пожарных цепочек».
Независимо от этой работы и совершенно другим путем
Бойл и Смит [9] пришли в конце 1969 г. к принципу переноса
заряда в приборах с зарядовой связью (ПЗС) при поиске элек-
трического аналога приборов на цилиндрических магнитных до-
менах [10]. Они предположили, что цепочка МОП-конденсаторов
может служить для хранения и переноса вдоль нее электриче-
ских зарядов, когда металлические электроды конденсаторов
расположены близко друг от друга и отделены общим слоем
диэлектрика от полупроводниковой подложки. Эти электроды,
на которые подается определенная последовательность импуль-
сов, вызывают движение потенциальных ям на границе раздела
полупроводник — диэлектрик, а потенциальные ямы содержат
пакеты неосновных носителей заряда. Для того чтобы изолиро-
вать друг от друга отдельные зарядовые пакеты, Бойл и Смит
вначале предложили структуру, однородную вдоль границы раз-
дела в пределах одного МОП-конденсатора, и систему трех-
тактного питания (3 — минимальное необходимое число шин пи-
тания для однородной структуры). В работе [11] были предложе-
ны структуры, для которых требуется только двухтактное пита-
ние (каждый МОП-конденсатор сделан несимметричным отно-
сительно направления переноса).
Изобретение часто является продуктом своего времени, по-
этому интересно рассмотреть другие независимые работы, кото-
рые так или иначе относятся к ПЗС. Такой работой было
исследование поверхностно-зарядовых транзисторов [12], в кото-
рых исток и сток обычных ПТИЗ были заменены участками
инверсионного слоя, сформированными под электродами МОП-
конденсаторов. Такие транзисторы, расположенные последова-
тельно друг за другом, образуют прибор с переносом заряда
с перекрывающимися электродами. Для полупроводниковых
запоминающих устройств с произвольной выборкой была пред-
ложена динамическая ячейка памяти, в которой информация
хранится в виде зарядового пакета под электродом МОП-кон-
денсатора [13, 14]. В работе [15] по вычислительным системам
с минимальной рассеиваемой энергией представлена теоретиче-
ская термодинамическая модель, в которой частицы переноси-
лись управляемым образом из одной потенциальной ямы
в другую.
14
Глава 1
Идея ПЗС оказалась такой простой и заманчивой, что побу-
дила инженеров, работающих в различных областях, использо-
вать приборы с переносом заряда для своих целей. За очень
Фиг. 1.2. Первый прибор с зарядовой связью, содержащий 8 трехфазных
элементов, входные и выходные диоды и затворы [17].
а —вид сверху; б—поперечное сечение.
короткое время было придумано множество вариантов ППЗ
и всевозможных применений. Потребовалось лишь несколько
дней, чтобы экспериментально проверить принцип переноса за-
ряда в структуре с близко расположенными МОП-конденсато-
рами [16]; а еще через несколько недель первый ПЗС на 8 бит
(фиг. 1.2) был продемонстрирован в качестве линии задержки
и простого строчного приемника изображения [17]. Через 2 года
появился приемник изображения на ПЗС для телевизионной
Введение
15
системы с относительно невысоким разрешением, имеющий
13 000 элементов [18].
Фактором, способствовавшим быстрому развитию техники
ПЗС, оказалось наличие нескольких развитых технологических
способов создания МОП-транзисторных интегральных схем
(ИС), в которых были преодолены трудности, связанные с про-
блемой нестабильности порогового напряжения, и которые
можно $ыло использовать для изготовления этих новых прибо-
ров. Быстрый прогресс в реализации ПЗС был достигнут благо-
даря тому, что новые устройства можно было изготавливать на
уже существующих технологических линиях. Хотя «пожарные
цепочки» на МОП-структурах можно действительно сделать,
используя стандартный способ изготовления МОП-транзистор-
ных ИС, все же для создания ПЗС обычно требуется несколько
более сложная технология (чтобы обеспечить требуемые харак-
теристики и надежность), чем это предполагалось в первых ра-
ботах. В этом одна из причин того, что промышленные образцы
ПЗС не были созданы так быстро, как ожидали, основываясь
на результатах успешных демонстраций лабораторных моделей.
Необходимо было также решить многие другие практически
важные задачи: научиться проектировать периферийные цепи
для ПЗС, получить высокий выход годных приборов, имеющих
хорошую линейность передаточной характеристики, высокое
отношение сигнал/шум и малые темновые токи. Более того, по-
скольку конструкции ПЗС, предназначенные для разных приме-
нений, имеют существенные отличия, проблемы, решаемые при
проектировании и изготовлении приборов, различны, и это при-
водит к распылению усилий при разработке ПЗС для каждого
отдельного применения.
Большая сложность изготовления ПЗС (по сравнению с «по-
жарными цепочками») компенсируется тем, что ПЗС обладают
более высокой эффективностью переноса и меньшими шумами,
связанными с переносом. Таким образом, ПЗС предпочтитель-
нее для многих применений. До сих пор «пожарные цепочки»
использовались почти исключительно для задержки звуковых
и видеосигналов или для фильтрации, в то время как все на-
дежды на ПЗС были вначале связаны с их возможным исполь-
зованием в качестве приемников изображения в полностью
твердотельных телевизионных камерах и системах передачи
факсимильных изображений. Сравнительно недавно началось
использование ПЗС для обработки аналоговых электрических
сигналов. Для этого на основе ПЗС можно создать трансвер-
сальные фильтры с несколькими сотнями отводов, каждый со
своим весовым коэффициентом, а это позволит сделать компакт-
ными такие сложные системы, как устройства для преобра-
зования Фурье в реальном времени. Растет также интерес к
16
Глава /
использованию ПЗС в миниатюрных цифровых запоминающих
устройствах большой емкости, где нужны кристаллы минимум
на 16 384 бита с относительно низким расходом энергии.
В данной книге рассмотрено все, что связано с ППЗ, — от
физических принципов до многочисленных применений приборов.
В первых главах (главы 2 и 3) описаны основные принципы
действия ППЗ и многие разнообразные формы конструктивного
воплощения этих приборов. Затем в гл. 4 обсуждены физиче-
ские механизмы переноса заряда и процессы, которые приводят
к ухудшению характеристик устройств, рассмотрены ограниче-
ния, обусловленные этими процессами, а также связанные
с входной и выходной частями прибора, обсуждены способы
уменьшения влияния этих ограничений на характеристики ППЗ.
В последующих главах (главы 5—8) дан широкий обзор исполь-
зования ППЗ в качестве приемников изображения, в устрой-
ствах обработки сигналов, запоминающих и логических устрой-
ствах и некоторых смешанных применениях.
Глава 2
Принципы работы приборов
с переносом заряда
В этой главе кратко описаны основные элементы приборов
с переносом заряда и принципы их действия. Глава адресована
тем читателям, которые совершенно незнакомы с основами ра-
боты, конструирования и технологии ППЗ, но знакомы с прин-
ципами изготовления кремниевых интегральных схем [19, 20].
1.	МОП-КОНДЕНСАТОР
Основой многих приборов с переносом заряда является кон-
денсатор со ♦ структурой металл — окисел — полупроводник
(МОП-конденсатор). Рассмотрим кратко физические процессы
в МОП-конденсаторе, которые важны для работы ППЗ.
На фиг. 2.1, а изображен МОП-конденсатор: металлический
электрод, нанесенный на термически окисленную подложку из
р-кремния [21, 22]. Если в некоторый момент времени прило-
жить к металлическому электроду положительное напряжение
относительно подложки, то основные носители (дырки) в слое
кремния, прилегающем к границе с окислом, будут отталки-
ваться от электрода и покинут этот слой. При этом на границе
раздела окисел — кремний образуется потенциальная яма для
носителей противоположного типа (электронов), которая вна-
чале будет пуста, т. е. обеднена подвижными носителями. Рас-
пространение потенциальной ямы вдоль поверхности кремния
(т. е. границы раздела) ограничивается специальными обла-
стями полупроводника, которые имеют тот же тип проводимости,
что и подложка, но степень легирования на несколько порядков
выше (здесь р+-тип). Их принято называть областями стоп-диф-
фузии. Ограничение обеспечивается тем, что в областях стоп-
диффузии поверхностный потенциал на границе раздела оки-
сел — кремний всегда близок к нулю. Электроны, которые
термически генерируются внутри или около потенциальной ямы,
собираются в ней вблизи границы раздела и образуют инвер-
сионный слой толщиной ~ 10 нм.
Для наглядности потенциальную яму можно представить как
ведро, а неосновные носители — как жидкость, которая частично
заполняет его. Для представления размера или глубины пустого
18
Глава 2
ведра можно использовать первоначальное значение поверхност-
ного потенциала под электродом (или положение границы обед-
нения). За положительное направление оси, на которой отло-
жены эти величины, принято направление в глубь полупровод-
ника (фиг. 2.1,6). Тогда в присутствии заряда в яме поверхность
। Сигнальный заряд '
Листая яма
Поверхностный
потенциал
Фиг. 2.1. Поперечное сечение МОП-конденсатора, используемого в качестве
элемента хранения неосновных носителей заряда (а), и потенциальная яма
с зарядом, изображенным в виде жидкости, находящейся на дне ямы (б).
жидкости в частично заполненном ведре будет изображаться
уменьшившимся значением поверхностного потенциала или соот-
ветственно новым положением границы обеднения. Заштрихо-
ванная площадь на фиг. 2.1, б между этими поверхностями дает
наглядное представление о величине заряда в яме, как о коли-
честве жидкости на дне ведра. Хотя в отличие от приведенного
аналога заряд остается на границе раздела окисел — кремний,
эта модель очень полезна для качественного описания процес-
сов в ПЗС, и мы будем ее часто использовать. В приводимых
ниже поперечных сечениях различных электродных структур
Принципы работы приборов с переносом заряда
19
Фиг. 2.2. Энергетические диаграммы МОП-структуры сразу же после прило-
жения положительного импульса напряжения к металлическому электроду (а)
и после того, как в результате тепловой генерации неосновные носители за-
ряда накопились на границе раздела окисел — полупроводник (б).
штриховая линия изображает профиль поверхностного потен-
циала в приборах с незаполненными потенциальными ямами.
Для более точного количественного описания физических
процессов в МОП-конденсаторе обычно используют энергетиче-
ские диаграммы МОП-структуры, показанные на фиг. 2.2, а цля
пустой потенциальной ямы и на фиг. 2.2,6 для ямы, содержа-
щей заряд неосновных носителей. Поверхностный потенциал $s,
20
Глава 2
т. е. величину, на которую искривляются границы запрещенной
зоны в кремниевой подложке при подаче напряжения Vg на ме-
таллический электрод и при наличии некоторого заряда неос-
новных носителей Qs в потенциальной яме, можно вычислить
путем интегрирования одномерного уравнения Пуассона вдоль
линии, перпендикулярной поверхности полупроводника. Исполь-
зование общепринятого приближения обедненного слоя [23],
в котором приповерхностный слой кремния шириной Xd счи-
тается полностью свободным от основных носителей, приводит
к параболическому увеличению потенциала по направлению
к поверхности- и следующему выражению для поверхностного
потенциала:
^ = ^+^-(2УХ+^)'/2;	(2-D
при этом
^ = (VO-M + Qs/Cox.
CqX == fyfioxl^OXi
где VFB — напряжение плоских зон МОП-структуры, Сох — ем-
кость слоя окисла на единицу площади, которая определяется
толщиной слоя окисла dox и его диэлектрической проницае-
мостью еох, 8S — диэлектрическая проницаемость полупровод-
ника подложки, a Na — объемная концентрация легирующей
акцепторной примеси.
Ширина обедненного слоя определяется выражением
xd = {2^slqN^.	(2.2)
Емкость CGb металлического электрода относительно подложки
представляет собой последовательно включенные емкость слоя
окисла и емкость обедненного слоя:
сав = сох------!---й-.	(2.3)
0В ох 1 + (20S/VO)/2
Таким образом, когда заряд Qs в яме увеличивается, поверх-
ностный потенциал уменьшается, обедненная область схлопы-
вается и емкость электрод — подложка Cgb увеличивается
(фиг. 2.3, а). При этом конкретный вид зависимостей </>s, xd и
Cgb определяется концентрацией легирующей примеси и тол-
щиной слоя окисла. На фиг. 2.3,6 показано изменение поверх-
ностного потенциала в случае пустой ямы как функции напря-
жения, поданного на электрод. Такие кривые, параметрами
которых служит толщина окисла и степень легирования полу-
проводника подложки, очень полезны при разработке ППЗ.
5
Фиг. 2.3. Зависимость поверхностного потенциала 0$, ширины обедненного
слоя Xd и емкости МОП-конденсатора Сев от величины заряда в потенциаль-
ной яме (и) и зависимость поверхностного потенциала в случае пустой ямы
от напряжения на металлическом электроде для разных толщин слоя окисла
dox и объемной концентрации Na примеси в подложке (б).
22
Глава 2
Если на металлический электрод МОП-конденсатора подать
импульс напряжения с достаточно большой амплитудой, то под
электродом появляется потенциальная яма, которая сразу же
начинает заполняться неосновными носителями за счет тепло-
вой генерации. Время релаксации емкости, или время запо-
минания МОП-конденсатора, зависит от объемных свойств
полупроводника и от совершенства границы раздела окисел —
кремний. Например, для напряжения на электроде 10В и при
толщине окисла 100 нм это время может составить несколько
минут. В течение промежутков времени, меньших по сравнению
с временем релаксации, МОП-конденсатор может служить запо-
минающим элементом для аналоговой информации, предста-
вленной величиной заряда в яме. Заряд можно инжектировать
электрическим путем или он может возникать в результате
фотоэлектрических процессов в кремнии. В последнем случае
величина заряда, хранящегося в яме, определяется интегралом
от светового потока по времени накопления, и прибор можно,
таким образом, использовать для преобразования света в элек-
трический сигнал.
2.	ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ (ПЗС)
2.1.	ПЗС С ПОВЕРХНОСТНЫМ КАНАЛОМ
Если два МОП-конденсатора расположены так близко друг
от друга на общих диэлектрическом слое и подложке, что их
обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соеди-
няются (или «связываются»), то подвижный заряд неосновных
носителей будет накапливаться в том месте, где выше значение
поверхностного потенциала. Используя жидкостную модель,
можно сказать, что заряд течет в наиболее глубокую часть по-
тенциальной ямы. За счет этого возможен управляемый перенос
заряда от одного электрода к другому (соседнему). Зарядовый
пакет, который инжектируется электрическим путем или за счет
оптической генерации под электрод Р1, находящийся под доста-
точно высоким напряжением (фиг. 2.4, а), будет распростра-
няться вдоль границы раздела кремний — окисел под соседний
электрод Р2, если на него подано такое же или более высокое
напряжение (фиг. 2.4,6). Если же напряжение на электроде Р1
затем, уменьшить, то зарядовый пакет полностью перетечет под
электрод Р2 (фиг. 2.4, в и г).
Если ряд таких электродов присоединить к шинам т’актового
питания так, чтобы каждый последующий электрод был под-
ключен к очередной шине, соблюдая при этом периодичность,
то вдоль цепочки электродов можно одновременно переносить
несколько зарядовых пакетов. Канал переноса заряда ограничен
Принципы работы приборов с переносом заряда
23
Фиг. 2.4. Схема трехфазного ц-канального ПЗС с несущими заряд потенциаль-
ными ямами (а) (поперечное сечение), потенциальные ямы, показанные в
различные моменты переноса заряда (б, в, г), и временные диаграммы так-
товых импульсов (б).
областями стоп-диффузии в кремнии или областями окисла,
имеющего большую толщину. На фиг. 2.4 изображена струк-
тура, для которой требуется система трехтактного питания [9].
Соседние зарядовые пакеты изолированы друг от друга потен-
циальными барьерами, которые возникают под электродами, на-
ходящимися под низким напряжением. Таким образом, для того
24
Глава 2
чтобы перенести зарядовый пакет на полную ступень или эле-
мент, надо произвести три переноса из ямы в яму, для чего
требуется три отдельных тактовых импульса, как показано на
временной диаграмме на фиг. 2.4, д. Ниже рассмотрено не-
сколько других примеров подключения электродов переноса.
2.2.	ПЗС С ОБЪЕМНЫМ КАНАЛОМ
В приборах, описанных выше, перенос и хранение сигналь-
ного заряда имеют место в потенциальных ямах на границе раз-
дела окисел — кремний. В гл. 4 показано, что это приводит к не-
которым ограничениям, вызванным взаимодействием этого за-
Фиг. 2.5. Продольный разрез ПЗС с объемным каналом [24]. Эквипотенциаль-
ные линии указывают на положение канала переноса заряда.
ряда с поверхностными состояниями и недостаточно высокой ско-
ростью переноса заряда. Подобные ограничения в меньшей сте-
пени проявляются в ПЗС с объемным каналом, которые были
названы также ПЗС со скрытым каналом [24, 25] или пери-
стальтическими ПЗС [26]. В этих приборах имеется эпитакси-
альный или ионно-легированный приповерхностный слой крем-
ния (или оба слоя одновременно), тип проводимости которого
противоположен типу проводимости подложки. При работе
такого ПЗС максимум потенциала в каждой яме находится не
на границе раздела окисел — кремний, а на некотором расстоя-
нии от нее в объеме полупроводника. Упомянутый слой и-крем-
ния (фиг. 2.5) имеет омические контакты в виде входного и
выходного диодов прибора, которые под действием соответ-
ствующего напряжения смещения обратной полярности «вытя-
гивают» из канала переноса все подвижные носители заряда.
На фиг. 2.6, а приведена энергетическая диаграмма МОП-струк-
туры со скрытым каналом, соответствующая отсутствию
Принципы работы приборов с переносом заряда
25
Фиг. 2.6. Энергетическая диаграмма МОП-структуры с объемным каналом
при отсутствии напряжения смещения (а), после удаления подвижных носи-
телей из канала переноса (б) и при наличии некоторого заряда в потен-
циальной яме (в).
напряжения смещения (т. е. условию «плоских зон»). После
того, как подвижные носители удаляются двумя диодами с по-
мощью подачи напряжения смещения обратной полярности на
р — n-переход, образованный слоем n-кремния и р-подложкой,
вблизи от границы раздела возникает потенциальная яма и
связанный с ней обедненный объемный канал (фиг. 2.6,6).
Подвижные носители заряда (в данном случае электроны)
26
Глава 2
будут скапливаться на дне потенциальной ямы, т. е. вблизи
максимума потенциала, что приведет к образованию плоского
участка на энергетической диаграмме внутри слоя п-кремния
(фиг. 2.6, в). Тактовые импульсы, приложенные к электродам
переноса, приводят к такому изменению потенциала в канале,
что позволяет получить движущиеся потенциальные ямы, ко-
торые могут хранить или переносить зарядовые пакеты тем же
способом, как и в приборах с поверхностным каналом.
2.3.	ПЗС НА ОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЯХ
ПЗС с объемным каналом, описанные выше, и некоторые
его варианты, обсуждаемые более подробно в гл. 3, можно рас-
сматривать как частный случай ПЗС на основных носителях
заряда, впервые предложенного в работе [27]. Использование
неосновных носителей, хранящихся в потенциальных ямах в
инверсионном слое вблизи поверхности полупроводника, — не
единственный путь построения прибора с переносом заряда. По-
добные функции можно осуществить, используя изолирующую
среду с достаточно высокой подвижностью и большим време-
нем жизни носителей заряда. Полуизолирующие материалы,
такие, как некоторые соединения типа АцВух, подобные окислу
цинка или сульфиду кадмия, или материалы типа танталата
калия обладают требуемыми свойствами. Часто эти материалы
являются полуизолирующими полупроводниками с проводи-
мостью /г~-типа и со сравнительно широкой запрещенной зоной.
Тонкая подложка из такого материала покрывается диэлектри-
ком, имеющим большую ширину запрещенной зоны (например,
двуокись кремния), и снабжается соответствующей электрод-
ной структурой. Подложку можно выполнить также в виде
эпитаксиальной пленки на пластине из изолятора; пленка
должна быть достаточно тонкой, чтобы ее можно было пол-
ностью обеднить носителями за счет электрического поля, на-
пряженность которого ниже напряженности пробивного поля
для диэлектрика под электродами. Сигнальный заряд можно
инжектировать в полуизолирующую подложку через омический
контакт или барьер Шоттки. Заряд хранится и переносится
вблизи границы раздела подложки и диэлектрика в соответ-
ствии с движением потенциальных ям и барьеров, которые вы-
званы тактовыми импульсами, поданными на электроды.
Указанные выше полуизолирующие материалы имеют боль-
шую по сравнению с кремнием ширину запрещенной зоны, что
является предпосылкой снижения тепловой генерации носите-
лей. А низкая скорость тепловой генерации позволяет получить
большие времена запоминания или меньший, так называемый
геометрический, шум, обусловленный разбросом значений тем-
Принципы работы приборов с переносом заряда
27
нового тока. Однако наиболее интересно получить большие
времена запоминания в приемниках изображения, а в них боль-
шая ширина запрещенной зоны фоточувствительного материа-
ла — серьезное препятствие для собственного поглощения длин-
новолнового света. Кроме того, чтобы указанные преимущества
ПЗС на основных ^носителях могли стать практически полез-
ными, технология изготовления их на основе полуизолирующих
материалов должна быть доведена до уровня, сравнимого с
уровнем технологии кремниевых интегральных схем, а это еще
не сделано.
3.	ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ТИПА ПОЖАРНЫХ ЦЕПОЧЕК
3.1.	ПОЖАРНЫЕ ЦЕПОЧКИ НА МОП-СТРУКТУРАХ
В противоположность приборам с зарядовой связью, для
которых требуется целостная подложка (в этом смысле они
являются функциональными), пожарные цепочки можно по-
строить и описать как схемы из дискретных компонентов [7]. На
фиг. 1.1, в показано, что такая схема состоит из конденсаторов,
на которых хранится заряд, и связанных с ними ПТИЗ, кото-
рые в идеальном случае работают как переключатели. Инте-
гральные пожарные цепочки на МОП-структурах подобны
двухфазным ПЗС (ПЗС с двухтактным питанием), и поэтому
их работу можно анализировать с помощью понятий потенци-
альных ям и барьеров. На фиг. 2.7, а показана интегральная
р-канальная структура пожарной цепочки, в которой металли-
ческие электроды несимметрично расположены над ^-обла-
стями истоков и стоков. Импульс отрицательного относительно
подложки напряжения, поданный на некоторый электрод Р1,
приведет благодаря емкостной связи к появлению напряжения
смещения обратной полярности на р — ^-переходе, расположен-
ном под этим электродом. Кроме того, приложение этого им-
пульса создает условия для инверсии на границе раздела оки-
сел — кремний между указанным р — n-переходом и его соседом
слева. Этот соседний р — /г-переход может играть роль истока
в ПТИЗ (если в его /7+-области есть подвижные дырки) и по-
ставлять заряд, который течет по каналу вдоль границы раздела
в первый р — n-переход, находящийся при обратном смещении
и действующий как сток. Когда напряжение на электроде Р1
падает до нуля, канал ПТИЗ перекрывается и, таким образом,
препятствует обратному течению заряда (фиг. 2.7,6). В любой
момент времени по существу половина всех р — ^-переходов
(каждый второй) может действовать как истоки, тогда как дру-
гая половина работает в качестве стоков. Это приводит к двух-
28
Глава 2
Фиг. 2.7. Схема р-канального прибора типа пожарной цепочки с соответ-
ствующей энергетической диаграммой (а) (поперечное сечение), диаграммы
напряжения при различных условиях смещения, иллюстрирующие перенос за-
ряда (б и в), и временные диаграммы импульсов тактового питания (г).
тактной системе питания, шины которого можно обычно раз-
местить по обе стороны канала; при этом не требуется пересе-
чений. В течение второй половины периода тактового питания
открываются каналы ПТИЗ под электродами Р2 и р— п-пере-
ходы меняются ролями (фиг. 2.7, в). В следующих главах книги
обсуждаются общие черты и отличия в технологии, работе и
характеристиках пожарных цепочек и ПЗС.
Принцип работы приборов с переносом заряда
29
3.2.	ПОЖАРНЫЕ ЦЕПОЧКИ
НА КАНАЛЬНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Отдельные запоминающие конденсаторы можно соединить
с помощью переключателей из канальных транзисторов так же,
как и с помощью ПТИЗ, причем такие устройства можно сде-
лать интегральными [28, 29]. Принцип действия этих устройств
аналогичен принципу действия пожарных цепочек на МОП-
структурах, но так как сигнальный заряд в пожарных цепочках
на канальных транзисторах движется на некотором расстоянии
от поверхности кремния, то их можно рассматривать как ва-
риант пожарных цепочек на МОП-структурах с объемным ка-
налом. Более сложные в изготовлении, такие приборы обладают
лучшими характеристиками скорости и эффективности переноса
заряда подобно тому, как это имеет место для ПЗС с объемным
каналом по сравнению с ПЗС с поверхностным каналом.
3.3.	ПОЖАРНЫЕ ЦЕПОЧКИ
НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
В гл. 1 уже отмечалось, что пожарные цепочки можно реа-
лизовать как массив конденсаторов и ключей, управляемых
тактовым питанием. Использование биполярных переключате-
лей показано на фиг. 1.1,6 и обсуждалось в литературе [5—7,
30, 31]. Однако неизбежные значительные токи базы в биполяр-
ных транзисторах приводят к очень серьезным ограничениям
возможностей пожарных цепочек на их основе. По этой причине
пожарные цепочки на биполярных транзисторах не рассмат-
риваются далее в этой книге.
Все описанные приборы можно сделать, используя в ка-
честве подложки материал как /?-, так и n-типа проводимости.
В зависимости от того, электроны или дырки являются носи-
телями сигнального заряда, приборы называют п-канальными
или р-канальными. Соотношение между простотой изготовления
и рабочими характеристиками обсуждается в следующих двух
главах, где считается, что кремниевые структуры имеют
канал n-типа. В противном случае делаются специальные ого-
ворки.
Глава 3
Способы физической реализации
I.	ЭЛЕКТРОДНЫЕ СТРУКТУРЫ
Прибор с переносом заряда является, по существу, набором
электродов переноса, которые соединены между собой периоди-
ческим образом. При соответствующем импульсном питании
электроды переноса создают в полупроводниковой подложке
движущийся массив потенциальных ям. Предложено бесчислен-
ное множество различных электродных структур и многие
успешно реализованы в лабораториях, но, вероятно, только не-
которые найдут в конце концов широкое применение. В общем
случае эксплуатационные характеристики, простота изготовле-
ния и размер элементарной ячейки электродной структуры
взаимосвязаны. В данной главе рассмотрено довольно много
электродных структур, реализация и функционирование кото-
рых в принципе возможны, а в разд. 1.5 более подробно об-
суждены те из них, которые на сегодняшний день представ-
ляются наиболее перспективными. Различные электродные
структуры сгруппированы по числу независимых электродов,
составляющих элементарную ячейку ППЗ. Структуры отли-
чаются также физическими условиями переноса и хранения
заряда, числом проводящих слоев и фотолитографических опе-
раций, необходимых для их изготовления. В гл. 4 электродные
структуры классифицированы согласно природе процессов
переноса заряда, которая существенным образом определяет
свойства и предельные возможности различных структур.
1.1.	СТРУКТУРЫ С ТРЕМЯ ЭЛЕКТРОДАМИ НА ЯЧЕЙКУ
При использовании простых симметричных электродов тре-
буется по меньшей мере три тактовых напряжения, чтобы опре-
делить направление переноса заряда (фиг. 3.1, а). Если под
некоторым электродом хранится заряд, то только один из со-
седних электродов может быть «включен», другой же соседний
электрод должен оставаться под низким потенциалом; в этом
случае он действует как блокирующий электрод — предотвра-
щает обратный поток заряда. В специальных случаях могут
быть введены дополнительные тактовые напряжения, но обычно
число тактовых шин стремятся сделать минимальным. Кон-
Способы физической реализации
31
Фиг. 3.1. Электродные структуры трехфазных ПЗС, содержащие один слой
металла с узкими зазорами (а), селективно легированные области в слое
высокоомного поликремния (б) и три перекрывающихся слоя окисленного
поликремния (в).
струкция ПЗС, предложенная в первоначальной заявке [9], со-
держала три группы электродов, вытравленных из одного слоя
металла, с узкими зазорами между электродами (фиг. 3.1).
Именно такой конструкции был первый [17] и несколько после-
дующих приборов с зарядовой связью. Они удовлетворительно
работали в лабораторных условиях; при электродах длиной
10 мкм и зазорах между ними 2,5 мкм неэффективность пере-
носа заряда составляла 10“4 [32]. Критической операцией в
32
Глава 3
изготовлении таких приборов является травление зазоров
между электродами. Чтобы потенциальные ямы могли перекры-
ваться без образования потенциальных барьеров, ухудшающих
рабочие характеристики прибора, ширина зазора должна быть
не более нескольких микрон [33, 34]. Но даже в узких зазорах
профиль потенциала может меняться при изменении величины
электростатического заряда на внешней поверхности окисла
в зазорах, что может привести к низкой и непостоянной вели-
чине эффективности переноса [35]. Кроме того, необходимость
в узких зазорах, которые меньше стандартного минимума
(5—7 мкм), определяемого фотолитографией, приводит к зна-
чительному уменьшению выхода годных приборов. Дефекты
фотошаблонов или фотоэмульсии, частицы пыли размером
всего лишь в несколько микрон могут замкнуть накоротко
смежные электроды и вывести прибор из строя. В работе [36]
описан технологический прием, который называется защитным
травлением и с помощью которого можно сформировать суб-
микронные зазоры в однослойной системе алюминиевых электро-
дов при довольно хорошем выходе годных приборов. Этот техно-
логический прием подобен приему, который называется под-
резкой изоляции [37] и который использовался для изготовления
двухфазных приборов (разд. 1.3). После нанесения первого
слоя металла на месте каждого второго электрода создаются
окна травления, не покрытые фоторезистом. Первый слой ме-
талла в этих окнах травится до тех пор, пока не сформируется
хорошо выраженный выступ края фоторезистивного слоя. Вели-
чина выступа определяет фактическую ширину зазоров, кото-
рые получаются в результате затенения вытравленных окон
выступающими краями фоторезиста при вертикальном напыле-
нии второго слоя металла. Металл, находящийся сверху фото-
резиста, удаляется «взрывом» при снятии фоторезиста после
того, как по второму слою сделана фотолитография, формирую-
щая шины разводки и контактные площадки.
Для того чтобы поверхностный потенциал под незащищен-
ными межэлектронными зазорами был определенной величины,
всю электродную структуру можно покрыть резистивным слоем
[38]. Характеристики прибора становятся более стабильными и
увеличивается выход годных приборов, так как зазоры в этом
случае могут быть значительно шире. Эта идея была реализо-
вана в электродной структуре, состоящей из сплошного слоя
высокоомного поликристаллического кремния («поликремния»),
в котором трехфазная структура электродов создана путем
селективного легирования областей, которые служат электро-
дами (фиг. 3.1,6) [39]. Необходимые пересечения, шины раз-
водки и контактные площадки создаются из дополнительного
слоя металла. Недостатком такой структуры является большой
Способы физической реализации
33
минимальный размер ячейки. На длине ячейки содержится
шесть элементов, формируемых локальным легированием. Раз-
меры этих элементов нельзя • сделать достаточно малыми, так
как процесс локального легирования гораздо хуже поддается
управлению, чем травление металла. Кроме того, сопротивле-
ние зазоров должно быть достаточно малым, чтобы потенциал
резистивного слоя в зазорах «отслеживал» форму импульсов
тактового питания, но не слишком малым, так как это потребо-
вало бы дополнительной мощности; таким образом, прибор бу-
дет хорошо работать в узком диапазоне частот.
Другой путь получения защищенного канала — формирова-
ние перекрывающихся электродов переноса из нескольких слоев
металла. Легко получить четырехфазную или многофазную
структуру, выполняя смежные электроды попеременно из пер-
вого и второго слоя металла; такие структуры рассматриваются
в следующем разделе. Использование двух слоев металла в
трехфазных структурах требует применения составных электро-
дов. Части электрода, выполненные из разных слоев металла,
через контактные окна подсоединяются к определенной такто-
вой шине. Для создания трехфазной двухслойной структуры
[42] использовалась технология анодированного алюминия
[40, 41]. До напыления второго слоя металла по первому слою
проводится фотолитография и электролитическое анодирование.
Площадки, где требуются межслойные соединения, во время
анодирования закрыты фоторезистом. Достоинством этой тех-
нологии является то, что здесь не требуются высокотемператур-
ные операции для формирования электродной структуры, а
также то, что возможно создание низкоомных шин разводки в
обоих слоях. Отдельные электроды можно легко соединить ши-
ной, выполненной из металла любого слоя. С геометрической
точки зрения полученная элементарная ячейка состоит из шести
электродов, однако в каждой такой ячейке можно одновремен-
но обрабатывать два зарядовых пакета.
Использование трех отдельных слоев металла для форми-
рования трех наборов электродов [43] дает возможность изго-
товить компактную ячейку, длина которой 3F — всего лишь в
3 раза больше минимального разрешимого размера F. В такой
структуре мала вероятность внутрислойных коротких замыка-
ний, вызванных дефектами фоторезистивной маски или пылью в
процессе травления. Более того, поскольку из каждого слоя
металла изготовлены электроды лишь одной фазы и, следова-
тельно, они находятся под одинаковым напряжением, короткие
замыкания внутри слоя приводят лишь к плохой эффективности
переноса в местах таких дефектов, если они возникли в первом
или втором слое электродов над каналом переноса. С другой
стороны, число коротких замыканий между слоями, которые
2 Зак. 818
34
Глава 3
могли бы выводить прибор из строя, очень незначительно, если
используется высококачественный изолятор, такой, как терми-
чески выращенный окисел на поликремниевых электродах или
анодированный алюминий. Напыленный окисел не подходит для
межслойной изоляции, так как в нем больше проколов, чем в
термически выращенном окисле. Однако увеличение толщины
слоя подзатворного изолятора в процессе последующих опера-
ций окисления приводит к увеличению порогового напряжения
электродов из верхних слоев поликремния, а также к уменьше-
нию их удельной емкости по сравнению с электродами из пер-
вого слоя.
В ПЗС с поверхностным каналом и поликремниевыми элек-
тродами получены очень низкая неэффективность переноса
(~2-10~5) [43, 44] и высокий выход годных приборов большой
степени интеграции [45]. Известны два способа изготовления
такой структуры. После вытравливания рисунка на каждом
слое поликремния весь незащищенный затворный окисел
стравливается до подложки, и новый окисел наращивается до
той же толщины, что и под первым слоем поликремния, одно-
временно с окислением поликремния. После этого наносится
следующий слой поликремния. Другой способ отличается тем,
что перед нанесением слоев поликремния затворный окисел за-
щищается от воздействия окислительной среды слоем нитрида
кремния. В этом случае все слои электродов лежат на затвор-
ном изоляторе, полученном в одном и том же процессе
(фиг. 3.1. в), и общее число высокотемпературных операций
можно уменьшить, если для межслойной изоляции использовать
окисел, образующийся при низкотемпературном окислении по-
поликремния во влажном кислороде.
1.2.	СТРУКТУРЫ С ЧЕТЫРЬМЯ ЭЛЕКТРОДАМИ
НА ЯЧЕЙКУ
Простая структура с четырьмя отдельными электродами в
элементарной ячейке, которая обеспечивает полностью защи-
щенный канал, показана на фиг. 3.2, а. Если все электроды при-
мерно одинакового размера лежат на затворном изоляторе
примерно одинаковой толщины, то прибор с такой структурой
может работать в четырехтактном режиме. В этом режиме
используются четыре канала тактового питания; импульсы в
каналах смещены по фазе на л/2. В таком случае обычно го-
ворят о четырехфазном приборе.
Слой затворного изолятора под электродами, изготовлен-
ными из второго слоя, может быть значительно толще, чем под
первым слоем электродов. В этом случае под электродами
второго слоя возникнут естественные барьеры, и прибор смо-
Способы физической реализации
85
Длина ячейки
Фиг. 3.2. Электродные структуры четырехфазных ПЗС, содержащие два слоя
металла и напыленный промежуточный изолятор (а), поликремниевые и ме-
таллические электроды (б) и два слоя анодированного алюминия (в).
жет работать всего лишь с двумя каналами тактового питания,'
если электроды первого и второй слоя сгруппировать таким
образом, чтобы получилось два независимых набора электродов
с встроенной однонаправленностью [27]. Прибор с такой кон-
струкцией будет называться двухфазным. Поскольку электроды
не обязательно объединять на самом кристалле, то подобная
2*
36
Глава 3
электродная структура позволила бы работать как в двухтакт-
ном, так и в четырехтактном режиме. В дальнейшем мы будем
классифицировать приборы по числу отдельно выведенных элек-
тродов в элементарной ячейке. Различные режимы, в которых
может работать прибор с четырьмя электродами в элементар-
ной ячейке, подробно рассмотрены в гл. 4.
Для создания структуры с четырьмя электродами в ячейке
требуются по два чередующихся набора электродов в обоих
слоях металла. Для защиты канала от внешних воздействий
электроды должны перекрываться по крайней мере на вели-
чину допустимого несовмещения R. Если ширина зазоров между
электродами одного слоя близка к минимальной разрешимой
величине F, то общая длина ячейки будет равна 4F + 4R. Как
отмечалось в предыдущем разделе, для получения высокого
выхода годных приборов в качестве межслойной изоляции
должен использоваться высококачественный, малопористый
диэлектрик. Первые четырехфазные приборы имели два слоя
перекрывающихся молибденовых электродов, изолированных
слоем напыленной двуокиси кремния толщиной 100 нм [12, 46].
Хорошие результаты были получены с термически окисленными
поликремниевыми электродами в первом слое и алюминиевыми
электродами во втором (фиг. 3.2, б) [47—49]. Эта структура
интересна тем, что ее изготовление возможно на основе техноло-
гических процессов, широко используемых в полупроводнико-
вой промышленности. Для получения электрически эквивалент-
ных МОП-структур под всеми электродами используются два
других способа изготовления четырехфазных структур. Элек-
троды формируются из двух слоев поликремния, изолирован-
ных друг от друга термически выращенным окислом. Чтобы
толщина подзатворного изолятора была одинакова под всеми
электродами, можно использовать травление незащищенного
окисла или защищать весь затворный окисел слоем нитрида
кремния [50]. Другой способ состоит в формировании обоих
слоев электродов из алюминия [40,41].
1.3.	СТРУКТУРЫ С ДВУМЯ ЭЛЕКТРОДАМИ НА ЯЧЕЙКУ
Если в структуре с двумя слоями электродов одинаковым на-
пряжениям на электродах разных слоев соответствуют разные
поверхностные потенциалы (например, из-за разной толщины
затворного изолятора или различия величин работы выхода про-
водников, фиг. 3.2, а или б), смежные электроды можно попарно
подсоединить всего лишь к двум шинам тактового питания
(фиг. 3.3, а), т. е. сформировать структуру двухфазного прибора
[37, 47, 48]. Затворный изолятор разной толщины можно легко
получить, выполнив первый слой электродов из поликремния.
Способы физической реализации
37
Фиг. 3.3. Электродные структуры двухфазных ПЗС, содержащие попарно со-
единенные перекрывающиеся электроды и области имплантации, служащие
для увеличения высоты потенциальных барьеров (а), асимметричные элек-
троды, изолированные с помощью подрезки изоляции (б), и ступенчатые элек-
троды, полученные косым напылением (в).
Во время термического окисления таких электродов толщина
слоя затворного окисла, не покрытого поликремнием, будет уве-
личиваться, что приведет к образованию потенциальных барье-
ров. В случае необходимости высоту этих барьеров можно уве-
личить на несколько вольт с помощью ионной имплантации
38
Глава 3
p-типа1) (фиг. 3.3, а); ионную имплантацию можно выполнить
так, чтобы области имплантации были самосовмещенными2) с
поликремниевыми электродами [51, 52]. Если обе системы элек-
тродов находятся под одинаковым потенциалом, барьеры раз-
деляют зарядовые пакеты в отдельных потенциальных ямах.
Перенос заряда происходит лишь тогда, когда системы элек-
тродов находятся под разными потенциалами и разность
потенциалов такова, что потенциал ямы хранения становится
меньше потенциала смежного барьера. Ступенька потенциала
под асимметричными электродами и определяет однонаправлен-
ность переноса заряда. Заряд будет всегда скапливаться в бо-
лее глубокой части потенциальной ямы, а барьер под толстым
слоем окисла будет препятствовать перетеканию заряда назад
(фиг. 3.3, а). Таким образом, зарядовые пакеты могут двигать-
ся лишь в одну сторону.
Если структура предназначена для работы в двухтактном
режиме, то длину электрода хранения обычно увеличивают за
счет уменьшения длины барьера, чтобы повысить управляющую
способность структуры. Для обработки зарядовых пакетов дли-
на барьеров не играет роли, но она должна быть достаточной,
чтобы высота барьеров существенно не уменьшалась из-за крае-
вых эффектов. Известно несколько путей создания асимметрии
потенциальной ямы, необходимой для работы в двухтактном
режиме. Чаще всего используют изолятор разной толщины или
имплантированный барьер.
Двухфазную структуру с одним слоем металла и слоем окис-
ла разной толщины можно сформировать с помощью техноло-
гического приема, называемого подрезкой изоляции. При напы-
лении металла на крутые ступеньки окисла возникают разрывы
(фиг. 3.3,6), размеры которых можно увеличить с помощью
подрезки двухслойного диэлектрика [37]. Толстый слой двуоки-
си кремния (~400 нм) покрывается слоем окиси алюминия тол-
щиной 100 нм. После литографии по слою окиси алюминия про-
водится контролируемое травление открытых участков слоя
двуокиси кремния до толщины 100 нм; в этом процессе слой
окиси алюминия служит маской. При вертикальном напылении
слой металла разрывается на свисающих краях слоя окиси алю-
миния [37, 53]. Подобные выступы можно получить другими спо-
собами: травлением канавок в окисленной кремниевой под-
ложке [54] или использовать анизотропию травления таких ма-
териалов, как арсенид галлия [55]. Поскольку создание описан-
ных структур не требует совмещения фотошаблонов, то мини-
9 Для «’Канальных приборов; для р-канальных приборов имплантация
должна быть «-типа. — Прим, перев.
2) Если границы областей имплантации определяются краями электродов,
то такие области называются самосовмещенными, — Прим, перев.
Способы физической реализации
39
мальная длина ячейки структуры равна 4F. Необходимые
контакты между участками металла, лежащими на слое окисла
разной толщины, можно создавать либо электролитическим на-
несением золота через фоторезистивную маску [37], либо ло-
кальным травлением свисающих выступов до нанесения затвор-
ных электродов, что гарантирует покрытие ступенек диэлектрика
металлом в требуемых местах [54].
Описанные приемы дают электродную структуру, схема ко-
торой показана на фиг. 3.3, в. Способ изготовления, непосред-
ственно дающий такую конфигурацию, заключается в получении
на слое окисла выступов с крутыми боковыми стенками; на та-
кой ступенчатый слой окисла под косым углом напыляется слой
металла [56], так что одна сторона выступов окисла покры-
вается металлом, а на другой стороне выступов образуются раз-
рывы (фиг. 3.3, в). Этот способ был использован для построения
десятиразрядного ПЗС на германии [57]. Такая структура тре-
бует, чтобы все регистры на пластине работали в одном направ-
лении, что является недостатком при ее использовании в боль-
ших массивах и сложных устройствах. Металл можно нанести
сплошным слоем; в этом случае для разделения электродов
возле ступенек слоя окисла надо вытравить зазоры. Для устра-
нения явлений, наблюдавшихся на трехфазных приборах с не-
защищенными зазорами, необходимо принимать соответствую-
щие меры. Для создания двухфазных структур можно также
использовать сплошной слой поликремния, в котором электро-
ды созданы путем селективного легирования (аналогично трех-
фазной структуре, изображенной на фиг. 3.1,6).
Другой путь создания встроенной однонаправленности за-
ключается в асимметричном расположении под электродами
имплантированных барьеров (фиг. 3.4, а) [58, 59]. Преимущество
имплантации состоит в возможности создать более высокий по-
тенциальный барьер по сравнению с тем, который может быть
достигнут благодаря ступеньке в слое окисла; кроме того, если
имплантированный слой сконцентрирован недалеко от поверх-
ности, высота барьера слабее зависит от потенциала, приложен-
ного к электроду. Для создания ступеньки потенциала было
предложено также [61] использовать встроенный в диэлектрик
заряд, т. е. носители, захваченные на поверхности раздела нит-
рид— окисел МНОП-структуры [60]. Как и в вышеописанных
двухфазных структурах, части электродов, создающие потен-
циальные ямы для хранения заряда, должны занимать возможно
большую часть площади электродов. Однако барьеры не дол-
жны быть слишком узкими, иначе их высота будет уменьшаться
под влиянием краевых эффектов. Кроме того, имплантирован-
ные барьеры не должны простираться в зазор между электрода-
ми и препятствовать переносу. Поэтому барьеры должны от-
40
Глава 3
Фиг. 3.4. Двухфазные электродные структуры и соответствующие профили
потенциала: ПЗС с имплантированными барьерами (а), ПЗС с омической
связью (б) и прибор типа пожарной цепочки (в).
стоять от края электрода по меньшей мере на величину несов-
мещения. В этом случае некоторая часть носителей из зарядо-
вого пакета будет задерживаться барьером. Как показано в
гл. 4, это вызывает уменьшение эффективности переноса заряда
и увеличивает шум переноса. Минимальная длина ячейки такой
структуры равна 6F + 27?.
Для уменьшения размера ячейки, ослабления требований к
совмещению барьеров с электродами и ширине зазоров, в зазо-
рах можно создать проводящие п+-области, самосовмещенные
Споеобы физической реализации
41
с электродами переноса (фиг. 3.4,6). Эти п+-области переком-
пенсируют заходящие в зазоры части областей имплантации, соз-
дающих барьеры, и, таким образом, края областей барьеров бу-
дут совпадать с краями электродов. Обычно такую структуру
называют ПЗС с омической связью или C4D (Conductively Con-
nected CCD) [62]. В одной из модификаций структуры ПЗС с оми-
ческой связью для обеспечения однонаправленности используются
ступеньки слоя окисла [63, 64]. В обоих случаях размер ячейки
можно уменьшить до 4F. Однако в реальных приборах длина
барьера и длина ямы хранения каждого электрода должна быть,
видимо, больше чем F/2. Кроме того, прибор с такой структурой
имеет даже больший резервуар заряда, блокированного барье-
ром, и поэтому ему присущи те же недостатки, что и приборам
типа пожарных цепочек. С другой стороны, п+-области дают
возможность легко создавать пассивные циркуляторы, ответвле-
ния и регенераторы.
Следует также указать, что любой четырехфазный прибор
может работать и в двухтактном режиме; необходимая для
этого разность потенциалов между смежными электродами соз-
дается во внешней цепи смещением потенциалов тактовых им-
пульсов [48, 65].
1.4.	ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ТИПА ПОЖАРНЫХ ЦЕПОЧЕК
На фиг. 3.4 приведены электродные структуры типа пожар-
ной цепочки [7, 8], двухфазного ПЗС и ПЗС с омической
связью. Потенциальная яма для хранения заряда в структуре
типа пожарной цепочки формируется проводящей областью, и
сигнальный заряд, попавший в яму, становится частью общего
заряда основных носителей. По историческим причинам, а так-
же благодаря возможности выполнения таких приборов на дис-
кретных элементах участок между проводящими областями хра-
нения чаще называется каналом МОП-транзистора, а не потен-
циальным барьером, но эквивалентность этих двух терминов
вытекает из фиг. 3.4. В структурах типа пожарной цепочки и
ПЗС с омической связью сигнальный заряд смешивается с за-
рядом основных носителей проводящих областей. Поэтому пе-
реносится не весь заряд, содержащийся в яме хранения. Высота
барьера определяет глубину потенциальной ямы в конце про-
цесса переноса и, таким образом, определяет величину оставше-
гося заряда. Любые изменения высоты этого барьера будут
приводить к изменениям величины оставшегося заряда. Су-
ществует обратная связь, обусловленная ограничением выход-
ного импеданса МОП-транзистора [8, 66, 67]. Эта обратная
связь будет ухудшать эффективность переноса. Для уменьше-
ния обратной связи предложены различные модификации струк-
42
Глава 3
Длина ячейки
Фиг. 3.5. Электродные структуры приборов типа пожарной цепочки, в кото-
рых для увеличения эффективности переноса используются тетродная кон-
фигурация (а), ступенчатый слой окисла (б) и полевые транзисторы с р—и-
переходом (в).
туры типа пожарной цепочки. Дополнительная диффузионная
область и затвор, поддерживаемый при постоянном потенциале
V+, образуют тетродную конфигурацию (фиг. 3.5, а), с помощью
которой величину обратной связи можно уменьшить более чем
на порядок [8]. Уменьшить влияние стока на исток можно так-
же ступенькой слоя окисла в канале МОП-транзистора
(фиг. 3.5,6) [67] или ограничением ширины канала,
Способы физической реализации
43
Другие усовершенствования структур типа пожарных це-
почек вытекают из замены переключателей на МОП-транзисто-
рах полевыми транзисторами с р — п-переходом [29] или барье-
ром Шоттки [28], выполненными в эпитаксиальном слое крем-
ния n-типа (фиг. 3.5, в). Более высокая проводимость таких
переключателей расширяет диапазон рабочих частот приборов
типа пожарных цепочек. Кроме того, такие усовершенствован-
ные приборы в принципе более стабильны, менее подвержен^
влиянию изменений порогового напряжения и могут работать
при амплитуде тактового питания всего лишь 2В [28].
Рассмотренные выше структуры имеют довольно большие
размеры ячейки, но достоинством их является то, что в прово-
дящей области легко изменить направление переноса заряд^
Поэтому траекторию зарядовых пакетов в приборах с такими
структурами можно сделать очень извилистой [8].
1.5.	ЭЛЕКТРОДНЫЕ СТРУКТУРЫ С ЯЧЕЙКАМИ
МИНИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ
В структуре ПЗС с омической связью (фиг. 3.4, б) с по-
мощью сдвига литографической маски по отношению к имплан-
тированным барьерам можно получить барьеры с эффективной
шириной, равной всего лишь половине минимальной разреши-
мой величины F. По такому же принципу формируется двух-
фазная ячейка ПЗС самого малого достижимого размера 2F.
Маски, используемые для травления окисла или для формиро-
вания электродов переноса, по существу состоят из полос ши-
риной F, разделенных промежутками той же ширины и сдвину-
тых на F/2 относительно полос на другой маске. Существует
много способов создания структур с ячейками минимальных
размеров, и мы лишь в общих чертах рассмотрим основные идеи
метода сдвинутой маски [68, 69].
Первая маска используется для формирования в слое окис-
ла выступов шириной F (фиг. 3.6, а). С помощью второй маски
создаются поликремниевые электроды, сдвинутые на F/2 отно-
сительно этих выступов. Таким образом получается набор элек-
тродов с встроенной однонаправленностью, принадлежащих од-
ной фазе. Для формирования второго набора электродов с той
же направленностью незакрытые электродами ступеньки слоя
окисла должны быть обращены в противоположную сторону
или их действие должно компенсироваться действием имплан-
тированных барьеров. В структуре с имплантированными барье-
рами (фиг. 3.6, б) барьеры шириной F/2, самосовмещенные с
поликремниевыми электродами, создаются с помощью низко-
энергетической имплантации; при этом поликремниевые элек-
44
Глава 3
Минимальный
разрешаемый
размер
~F
Длина ячейки
~2F
Фиг. 3.6. Электродные структуры двухфазных ПЗС с ячейками минимальных
размеров после изготовления электродов первой фазы (а). Структуры, в ко-
торых для создания однонаправленности электродов второй фазы применяются
имплантированные барьеры (б) и ступеньки слоя окисла (в).
троды и толстый слой окисла служат маской. После импланта-
ции незащищенный затворный окисел стравливается до подлож-
ки и выращивается новый окисел, слой которого имеет
одинаковую толщину. Это увеличивает эффективную высоту
имплантированного барьера. В соответствии с другим спосо-
бом изготовления структуры ступенька слоя окисла обращается
Способы физической реализации
45
в противоположную сторону (фиг. 3. 6, в). С этой целью после
изготовления первого набора электродов незащищенный затвор-
ный окисел стравливается; на его месте выращивается новый
толстый слой окисла. Этот слой окисла травится до толщины
~ 100 нм с помощью еще одной маски, полосы которой сдви-
нуты на F/2 относительно электродов первого набора таким об-
разом, чтобы образующиеся ступеньки слоя окисла имели ту
же направленность, что и ступеньки под электродами первого
набора. В обоих случаях формирование электродной структуры
завершается созданием второго набора электродов, которые пе-
рекрывают электроды первого набора на величину допуска на
несовмещение. В структурах с ячейками минимальных размеров
второй набор электродов может представлять собой сплошной
слой металла, покрывающий область канала переноса.
Возможно, что при использовании новейшей техники, напри-
мер при эскпонировании электронным лучом, разрешающая
способность позволит воспроизводить элементы с меньшим раз-
мером, чем тот минимальный физический размер, который же-
лателен для работы прибора, и минимальный размер ячейки
уже не будет определяться литографическим процессом. В не-
которых электродных структурах, например в структурах, ис-
пользующих технику сдвинутой маски, наименьший физический
размер до некоторой степени определяется точностью совмеще-
ния масок. При проектировании ячейки должен рассматри-
ваться случай наихудшего совмещения, и масштабы не всех
структур можно уменьшить при повышении разрешающей спо-
собности литографических процессов, так как необходимо в та-
кой же степени улучшать точность совмещения, что гораздо
труднее. Способ решения этой проблемы описан в работе [70].
Экспонирование резиста на пластине производилось непосред-
ственно электронным лучом. С его же помощью определялось
положение элементов совмещения на каждом кристалле и произ-
водилась необходимая коррекция положения электронного луча.
Для сохранения работоспособности прибора при уменьшении
его планарных размеров соответствующим образом должны из-
меняться и другие параметры структуры. Преобразование масш-
таба ПЗС [33] или МОП-транзистора [71] включает три пере-
менных параметра- линейные размеры, напряжение, уровень ле-
гирования. При уменьшении всех размеров, включая толщины
изолятора и глубины р — n-переходов, в k раз все напряжения
также надо уменьшить, а уровни легирования подложки и
барьеров увеличить в то же число раз. Эта процедура уменьшает
краевые эффекты и ширину обедненных областей пропорцио-
нально уменьшению геометрических размеров. Кроме того,
уменьшаются пороговые напряжения примерно пропорциональ-
но уменьшению прикладываемых напряжений; величины элек-
46
Глава 3
трических полей остаются неизменными. Величина сигнального
заряда уменьшается в k раз , но так как уменьшение размеров
считывающих цепей повышает их чувствительность, то в таких
приборах, как запоминающие устройства, отношение сигнал/шум
должно оставаться неизменным. Правила преобразования масш-
таба применимы лишь в том случае, когда повышению разре-
шающей способности соответствует повышение точности совме-
щения, однако добиться этого трудно.
В качестве иллюстрации в табл. 3.1 приведены размеры
ячеек электродных структур, изображенных на фиг. 3.1, в, 3.3,а
и 3.6, и модифицированной трехфазной двухслойной структуры,
каждую из которых можно рассматривать как основу конструк-
ции запоминающего устройства высокой плотности. В столбце
А приведены выражения для размеров ячеек в том случае, ког-
да доминируют ограничения фотолитографического процесса —
минимальный разрешаемый размер F и величина несовмещения
R. В столбце В выражения для минимальных размеров вытекают
из физических ограничений (Ltr— ширина барьера, Lst — размер
ямы хранения). При практической реализации ячейки мини-
мального размера надо принимать во внимание более жесткое
ограничение, дающее больший размер ячейки. В столбце С при-
ведены минимальные размеры ячеек, выполненных по стандарт-
ной поликремниевой технологии, а в столбце D приведены раз-
меры, которых можно достичь, используя электронно-лучевую
литографию.
Из табл. 3.1 можно сделать следующие выводы: в первой и
последней электродных структурах, в которых электроды каж-
дого набора соединяются шиной из «своего» слоя проводника,
ячейки компактнее, чем в двух других структурах, до тех
пор пока главными являются ограничения литографического
ф'	dr
!) Если произвести преобразование	N->kN',	где
Ф -> напряжение, N — концентрация легирующей примеси, d — толщина изо-
лятора, то ширина обедненных областей w уменьшится в k раз
/ Ф / 1 Ф' wr
W 00 А / А /	—7—,
V N V k2 N' k
удельная емкость С увеличится в k раз
1	k
d	d'
а плотность заряда Q останется неизменной
Q = 0C->-j-Cz^->Q'.
При уменьшении всех планарных размеров площадь электрода уменьшится
в б2 раз; соответственно в k2 уменьшится и величина сигнального заряда. —
Прим, перев.
Способы физической реализации
47
Таблица 3.1
Минимальные размеры ячеек различных электродных структур,
определяемые ограничениями фотолитографического процесса (А)
и физическими ограничениями (В). Минимальные размеры ячеек
электродных структур, выполненных по существующей поликремниевой
технологии (С) и при предполагаемой точности литографического
процесса (D); Е — число масок, требуемых для реализации
электродной структуры
Структура	А	в	c	D	E
Двухфазная со	2F	2(Llr+Lsl+2R)	20 мкм	12 мкм	3
сдвинутой маской (фиг. 3.6)					
Двухфазная	4F + 47?	2 (Ltr + Lst)	32 мкм	12 мкм	2
стандартная (фиг. 3,3, а)					
Трехфазная	3 (F + 2R)	iLst	30 мкм	12 мкм	2
двухслойная (фиг. 3.8, а)					
Трехфазная	3F	3 (Lsl + R)	18 мкм	9 мкм	3
трехслойная (фиг. 3.1, в)					
Значения пара-			F = 6 мкм	F = 2 мкм	
метров, ис-			R = 2 мкм	R = 1 мкм	
пользуемых			LSf — 4 мкм	Lst — 2 мкм	
при проекти- ровании ячеек			Lfr = 2 мкм	Ltr = 2 мкм	
процесса. Как только минимальный разрешаемый размер стано-
вится меньше размеров, требуемых по физическим соображе-
ниям, на минимальных размерах ячеек этих структур сильнее
сказывается неточность совмещения, и минимальные размеры
ячеек всех структур становятся примерно одинаковыми. Когда
на первый план выступают физические ограничения, размер
ячейки трехфазной двухслойной структуры становится наимень-
шим, поскольку в этом случае он равен только трем размерам,
выбранным по физическим соображениям; эти размеры за-
даются электродами первого слоя.
Ячейки малого размера особенно нужны для создания ЗУ
высокой плотности. В этих устройствах важны оба планарных
48
Глава 3
размера ячейки, и дать ответ на вопрос, какая электродная
структура обеспечит наиболее высокую плотность размещения,
становится несколько труднее. Выбор электродной структуры в
большой степени зависит от способа организации ЗУ. Напри-
мер, в ЗУ с серпантинной организацией заряд в соседних кана-
лах переносится в противоположных направлениях, поэтому тре-
буются такие структуры, в которых электроды в этом случае не
пересекаются, так как для выполнения пересечений электродов
нужна дополнительная площадь кристалла [31]. В трехфазных
структурах такие пересечения обычно требуются. Для ЗУ с сер-
пантинной организацией подходят двухфазные структуры, в ко-
торых барьер может располагаться у любого края электрода
(например, структуры типа пожарных цепочек, ПЗС с омиче-
ской связью или структуры, полученные по методу сдвинутой
маски). Подходящими также являются двухфазные структуры
с четырьмя электродами в ячейке, если в них электрод хране-
ния можно соединять над каналом переноса с одним из сосед-
них барьерных электродов (например структура, изготовленная
с помощью подрезки изоляции). В ЗУ с организацией «последо-
вательно — параллельно — последовательно» плотность разме-
щения ограничивается регистрами последовательного ввода и
вывода, электроды которых должны присоединяться к шинам
питания, расположенным с одной стороны канала переноса. Для
выполнения топологически неизбежных пересечений в каждой
элементарной ячейке требуется одно или несколько (в зависи-
мости от типа электродной структуры) контактных окон. До-
пуски, связанные с надежным формированием контактных окон,
могут стать одним из факторов, ограничивающих компактность
ячейки. Схематическое изображение ячеек с шинами питания,
расположенными с одной стороны канала, дано на фиг. 3.7 и
3.8. Важное достоинство двухфазной структуры, полученной по
методу сдвинутой маски (фиг. 3.7, а), и трехфазной трехслойной
структуры (фиг. 3.8, б) заключается в том, что в этих струк-
турах не требуются межслойные соединения, выполняемые с
помощью контактных окон. Если проводимость материала элек-
тродов достаточно высока, шины тактового питания можно рас-
положить одну над другой. В двух же других структурах от-
дельные контактные окна занимают заметную часть площади, а
если их сделать слишком маленькими, то выход годных прибо-
ров может резко уменьшиться. Из этих примеров видно, что в
разных устройствах самую высокую плотность размещения
могут дать разные электродные структуры. При выборе элек-
тродной структуры для того или иного устройства надо прини-
мать во внимание весь комплекс требований, предъявляемых
К структуре,
Фиг. 3.7. Ячейка (а) двухфазного ПЗС, в котором обе шины тактового пи-
тания расположены с одной стороны регистра и в котором используется
электродная структура с ячейками минимальных размеров, показанная на
фиг. 3.6, и электродная структура (б) со ступенькой слоя окисла, показанная
на фиг. 3.3, а.
5
Фиг. 3.8. Ячейка трехфазного ПЗС, в котором все шины тактового питания
расположены с одной стороны регистра и в котором используется электродная
структура с двумя слоями поликремния (а) и с тремя слоями поликрем-
ния (6), показанная на фиг, 3.1, в.
Способы физической реализации
51
1.6.	СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ СТРУКТУРЫ
Любая электродная структура может работать в таком ре-
жиме, когда электроды одной фазы поддерживаются под по-
стоянным потенциалом, а электроды остальных фаз питаются
импульсами достаточно большой амплитуды [38, 72]. Амплиту-
да импульсов должна быть достаточна для того, чтобы потен-
циальные ямы под «включенными» электродами вмещали весь
заряд из-под электродов с постоянным потенциалом, а «выклю-
ченные» электроды передавали весь заряд под электроды с по-
стоянным потенциалом. Из двухфазной структуры таким обра-
зом можно получить однофазную электродную структуру, в ко-
торой система электродов представляет собой сплошной слой
металла (фиг. 3.9, а). В этой структуре однонаправленность соз-
дается имплантированными барьерами, а в роли электродов с
постоянным потенциалом выступают участки структуры с тол-
стым слоем окисла [73]. При подаче импульсов питания на
единственный электрод на участках структуры с толстым слоем
окисла поверхностный потенциал изменяется незначительно. Две
или три операции имплантации требуется для смещения поро-
говых напряжений различных участков структуры таким обра-
зом, чтобы поверхностный потенциал участков структуры с тон-
ким слоем окисла можно было симметрично изменять относи-
тельно поверхностного потенциала участков с толстым слоем
окисла. Для создания асимметрии потенциальных ям предло-
жено использовать захват заряда в МНОП-структуре [75].
Достоинствами однофазной структуры являются простота
управления и непрерывность единственного электрода; послед-
нее важно в устройствах хранения приемников изображения, где
вся активная область должна покрываться сплошным слоем
металла для защиты от падающего света. Однако во многих
случаях требуются структуры с недостижимой точностью выпол-
нения областей имплантации и с таким же большим динамиче-
ским диапазоном, как и у многофазных структур, что ограничи-
вает область применения однофазной структуры.
Изменение направления ступеньки поверхностного потен-
циала под ступенькой слоя окисла, при достаточно большом
изменении прикладываемого к электроду напряжения, можно
использовать также для создания двухфазной электродной струк-
туры с обратимой однонаправленностью (фиг. 3.9,6). Ее можно
рассматривать как трехфазную структуру, у которой электроды
одной фазы заменены участками толстого слоя окисла, под ко-
торыми поверхностный потенциал остается примерно постоян-
ным. Когда оба электрода «выключены», сигнальный заряд на-
ходится под участками толстого слоя окисла. На электроды
подаются тактовые импульсы, которые перекрываются так же,
52
Глава 3
Фиг. 3.9. Электродные структуры, в которых используется обращение сту-
пеньки потенциала под ступенькой слоя окисла при увеличении потенциала
электрода: однофазная структура с одним сплошным электродом, ступенча-
тым слоем окисла и областями имплантации (ц); двухфазная структура с
обратимой однонаправленностью (б).
как импульсы двух фаз трехтактного питания. Это приведет к
переносу заряда; направление переноса определяется последо-
вательностью перекрытия импульсов. Эта структура тоже мо-
жет найти ограниченное применение и именно там, где тре-
буется ее обратимость.
Выше рассматривались структуры с минимальным числом
фаз. Посмотрим, полезно ли увеличение их числа свыше четы-
рех. Оказывается, путем увеличения числа фаз можно увели-
чить плотность хранения информации в канале ППЗ. В четы-
рехфазных структурах (фиг. 3.2), электроды которых по су-
Способы физической реализации
53
ществу идентичны, отдельные зарядовые пакеты могут хранить-
ся под каждым вторым электродом; под разделяющими их
электродами создаются изолирующие потенциальные барьеры
[6, 76]. В этом случае плотность размещения информационных
зарядовых пакетов в два раза выше, чем в описанном ранее че-
тырехтактном режиме. Перенос зарядовых пакетов, размещен-
ных под каждым вторым электродом, можно выполнить лишь
последовательно, а не одновременно: сначала сдвигается послед-
ний от входа регистра зарядовый пакет, потом — предпоследний
и так до первого. Все зарядовые пакеты сдвигаются на один
электрод путем последовательного переноса отдельных зарядо-
вых пакетов ступенькой потенциала, движущейся от выхода
регистра к его входу. Такой режим работы эквивалентен движе-
нию состояния «выключено» против направления переноса за-
ряда. Для его осуществления требуется большое число фаз, так
как каждый электрод должен быть выведен отдельно. На прак-
тике ограничиваются разумным числом фаз, например 16;
в этом случае семь несущих информацию зарядовых пакетов
отделяются пустой позицией, которая необходима для обра-
ботки сигнала. Таким образом достигается компромисс между
плотностью размещения и сложностью управления. Описанный
способ хранения и обработки зарядовых пакетов можно приме-
нить к структурам с встроенной однонаправленностью, в этом
случае отдельный зарядовый пакет можно хранить под каждым
электродом. Организация ЗУ, в которых используется принцип
«электрод на бит», обсуждается в гл. 7 (разд. 3.1).
В настоящем разделе представлен довольно большой пере-
чень электродных структур, однако его можно расширить за
счет разнообразных вариантов представленных структур. Напри-
мер, металлические электроды заменяются поликремниевыми
для получения прозрачности, требуемой в приемниках изобра-
жения. Окисленный поликремний заменяется анодированным
алюминием там, где главной целью является высокая тактовая
частота и поэтому необходима высокая проводимость электро-
дов. Для уменьшения величины перекрытия слоев в двухслой-
ной структуре используется технологический прием подрезки
изоляции [77]; для увеличения высоты барьеров, создаваемых
участками слоя окисла разной толщины, применяется дополни-
тельная имплантация.
Существует большое количество разнообразных электрод-
ных структур, так что разработчику устройства на ПЗС нелегко
выбрать наиболее подходящую. Однако, как будет ясно из об-
суждения основных физических ограничений и их связи с тре-
бованиями практических применений, в большинстве случаев
количество структур, из которых можно выбирать, будет значи-
тельно меньше. Кроме того, доступность технологического
34
Глава 3
оборудования и требование высокого выхода годных приборов
часто являются доминирующими соображениями. На сегодняш-
ний день наиболее широко используются двух-, трех- и четырех-
фазные структуры с поликремниевыми электродами (табл. 3.1).
2.	КАНАЛЫ ПЕРЕНОСА
2.1.	БОКОВОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ КАНАЛА
В предыдущем разделе рассматривалось строение электрод-
ной структуры вдоль направления переноса заряда; в настоя-
щем разделе обсуждается строение электродной структуры по-
перек направления переноса. В реальных приборах канал пере-
носа имеет конечную ширину. Конструкция, предназначенная
для бокового ограничения канала переноса, должна обеспечи-
вать не только ограничение потенциальных ям, но и поддержа-
ние поверхности полупроводника по боковым сторонам канала
в режиме обогащения, чтобы предотвратить неконтролируемый
приток заряда в канал. Поставленной цели можно достичь с
помощью одного или нескольких средств, а именно: с помощью
областей стоп-диффузии или стоп-имплантации, с помощью об-
ласти толстого слоя окисла или с помощью специального поле-
вого электрода (фиг. 3.10, а, б и в соответственно).
Области толстого слоя окисла можно применять для боко-
вого ограничения канала в том случае, если пороговое напря-
жение структуры с толстым слоем окисла достаточно для того,
чтобы не происходило обеднения поверхности полупроводника
по боковым сторонам канала. Ограничение канала толстым
слоем окисла подходит для приборов, изготавливаемых на под-
ложке n-типа с ориентацией [1 1 1]; при этом из-за встроенного
в окисел заряда пороговое напряжение достигает 20В. В настоя-
щее время предпочтение отдается приборам с n-каналом, по-
скольку подвижность электронов выше, чем дырок. Для созда-
ния n-канальных ПЗС используются подложки р-типа с ориен-
тацией [10 0], на которых можно достичь низкой плотности
поверхностных состояний и высокой эффективности переноса,
однако окисел, выращенный на подложке указанного типа, не
содержит встроенного отрицательного заряда. Кроме того, тол-
стый слой окисла слабо ограничивает канал — ширина послед-
него будет изменяться в зависимости от приложенного напря-
жения и величины заряда в ямах, особенно при высокоомной
подложке. Изменение ширины канала может привести к ухуд-
шению эффективности переноса из-за взаимодействия сигналь-
ного заряда с поверхностными состояниями вблизи краев элек-
тродов (гл. 4, разд. 3.3). Области стоп-диффузии жестче фик-
сируют поверхностный потенциал и, таким образом, точнее
Способы физической реализации
55
Толстый
слой окисла
Область стоп-
'имплантации
небольшой концент-
рации
Обедненный слой
Электрод
В
Фиг. 3.10. Способы ограничения канала переноса заряда в ППЗ. Показаны
сечения, перпендикулярные к направлению переноса заряда: ограничение ка-
нала областями стоп-диффузии или стоп-имплантации (а), толстым слоем
окисла и областью стоп-имплантации небольшой концентрации (б), полевым
металлическим или поликремниевым электродом (в).
задают границы канала. В идеальном случае области стоп-диф-
фузии должны иметь относительно низкую концентрацию
(~1017 —1018 см~3) и крутой профиль. Если степень легирова-
ния слишком велика, то там, где граница области стоп-диффу-
зии достигает поверхности, может происходить пробой. Хорошо
ограничивает канал конструкция, состоящая из толстого слоя
окисла, расположенного вне канала переноса, и области стоп-
имплантации небольшой концентрации (фиг. 3.10, б), особенно
еслц область стоп-цмплантации самосовмещена с границей
56
Глава 3
толстого слоя окисла, как при использовании технологического
процесса LOCOS [78, 79].
Канал переноса можно ограничивать также с помощью по-
левого электрода, расположенного под краями электродов пере-
носа (фиг. 3.10, в); к полевому электроду надо прикладывать
такое напряжение, чтобы поверхность полупроводника под ним
находилась в режиме обогащения. Полевой электрод трудно
применять для ограничения канала в реальных приборах из-за
необходимости в дополнительных технологических операциях, а
также потому, что возникает необходимость соединять части
полевого электрода с источником напряжения.
2.2.	ПОВЕРХНОСТНЫЙ И ОБЪЕМНЫЙ КАНАЛЫ
Локализацию канала переноса можно изменять и в пер-
пендикулярном поверхности подложки направлении. В гл. 2
(разд. 2.2) уже был описан принцип создания объемного канала
[24, 26, 27], в котором можно переносить зарядовые пакеты, не
приводя их в контакт с поверхностными состояниями. Чтобы по-
лучить различные эксплуатационные характеристики приборов
с объемным каналом, можно изменять глубину и концентрацию
легирования канального слоя. На фиг. 3.11 схематично изобра-
жены три разных профиля легирования и соответствующие им
потенциальные профили в направлении, перпендикулярном по-
верхности полупроводника. Если приповерхностная область по-
лупроводника легирована однородно, то потенциальный мини-
мум для неосновных носителей (на фиг. 3.11, а для электронов)
находится у поверхности раздела полупроводник — изолятор, что
характерно для приборов с поверхностным каналом. Если же
путем ионной имплантации или эпитаксиального выращивания
создан слой, называемый канальным, тип проводимости которо-
го противоположен типу проводимости подложки, а уровень ле-
гирования на порядок выше, то экстремум потенциала будет
образовываться внутри канального слоя, в общем случае вдали
от поверхности раздела (фиг. 3.11,6). Положение экстремума
потенциала зависит от профиля легирования, приложенного к
электроду напряжения и величины сигнального заряда. Посколь-
ку в случае объемного канала сигнальный заряд находится зна-
чительно дальше от электродов, чем в ПЗС с поверхностным
каналом, то управляющая способность ПЗС с объемным кана-
лом меньше, и чем глубже канал, тем меньше управляющая
способность (гл. 4, разд. 1.2). Чтобы ПЗС с объемным каналом
обладал хорошей управляющей способностью, канальный слой
должен иметь резкий профиль, для создания которого можно
применить ионную имплантацию с дозой ~ 1 • 1012 см-2. С дру-
гой стороны, в высокочастотных устройствах весьма полезны
Способы физической реализации
57
Фиг. 3.11. Профиль легирования (слева) и потенциала (справа) в ПЗС с
поверхностным каналом (а), в ПЗС с объемным каналом (б) и профилиро-
ванном перистальтическом ПЗС (в).
краевые поля, которые увеличиваются при заглублении канала;
для высокочастотных устройств оптимальная глубина канала
равна примерно половине длины электрода [80]. Структура с
глубоким каналом, содержащая эпитаксиальный слой толщиной
5 мкм, названа «перистальтическим» ПЗС [26]. Структуры, со-
четающие достоинства мелкого и глубокого каналов, содержат
эпитаксиальный слой с невысоким уровнем легирования и тон-
кий высоколегированный слой, созданный посредством ионной
имплантации. В этой структуре зарядовые пакеты большой ве-
личины располагаются недалеко от поверхности, а при малом
58
Глава 5
количестве заряда потенциальный минимум смещается в глубь
полупроводника. Поэтому приборы с такой структурой, назван-
ные профилированными перистальтическими ПЗС [81], соче-
тают высокую управляющую способность с сильными краевыми
полями, которые способствуют переносу последних долей заря-
довых пакетов.
В объемном канале сигнальный заряд не соприкасается с
поверхностью кремния, и изолятор теряет свою роль барьера,
отделяющего носители зарядового пакета от управляющего
электрода; его можно заменить — n-переходом, смещенным
в обратном направлении, или барьером Шоттки [82]. Замена
слоя изолятора на р — n-переход или барьер Шоттки в прибо-
рах с объемным каналом дает те же преимущества, что и в при-
борах типа пожарных цепочек: большую скорость переноса,
лучшую стабильность характеристик и возможность работы при
низких значениях амплитуды тактовых импульсов. Кроме того,
для ПЗС с объемным каналом и р — n-переходом или барьером
Шоттки можно использовать материалы, на которых трудно
создать высококачественную МОП-структуру. Этот фактор мо-
жет стать важным при разработке приемников ИК-изображе-
ния на полупроводниках с узкой запрещенной зоной, например
на германии, или высокочастотных приборов на материалах с
большой подвижностью носителей, например на арсениде
галлия.
Для создания ПЗС с объемным каналом можно применять
любую электродную структуру, которая дает полностью защи-
щенный канал. Двухфазные структуры с имплантированными
барьерами или с постоянным смещением потенциалов тактовых
импульсов будут переносить заряд в объемном канале в том
же направлении, что и в поверхностном канале. Однако в от-
личие от поверхностного канала в объемном канале на участ-
ках с более толстым слоем окисла возникают более глубокие
потенциальные ямы. Поэтому если однонаправленность со-
здается ступенчатым слоем окисла, то в объемном канале заря-
довые пакеты будут переноситься в направлении, противопо-
ложном направлению переноса в поверхностном канале [83, 84].
По этой же причине электродные структуры с незащищенными
межэлектродными зазорами мало пригодны для приборов с
объемным каналом [85, 86]. Под зазорами будут формироваться
глубокие потенциальные «карманы», ухудшающие эффектив-
ность переноса. Чтобы не допустить формирования потенциаль-
ных карманов под незащищенными межэлектродными зазора-
ми, можно использовать дополнительную операцию ионной
имплантации, с помощью которой создаются самосовмещенные
с зазорами области, глубина которых невелика, а тип прово-
димости совпадает с типом проводимости подложки [87]. Об-
Способы физической реализации
59
ласти имплантации смыкаются с областью стоп-диффузии, ко-
торая ограничивает область канала; по существу области
имплантации представляют собой проводящие пластины, под-
держивающие в зазорах нулевой поверхностный потенциал.
Однако в этом случае поверхностный потенциал под электро-
дами переноса нельзя сделать ниже поверхностного потенциала
в зазорах, поскольку поверхностный потенциал под электро-
дами переноса ограничен инжекцией носителей заряда из
участков, ограничивающих область канала. Для обеспечения
полного переноса заряда необходимо добавить еще одну опе-
рацию ионной имплантации, с помощью которой поверхностный
потенциал в зазорах смещается соответствующим образом.
В работе [87] описан другой способ обеспечения полного пере-
носа заряда: в зазорах создается экранированный объемный
канал, а под электродами — поверхностный канал, тогда из об-
ластей объемного канала под зазорами носители могут перете-
кать в более глубокие потенциальные ямы под электродами.
В поступивших в продажу ПЗС с объемным каналом элек-
троды выполнены из селективно легированного слоя поликрем-
ния [39, 52, 88, 89]. Селективно легированный слой поликремния
- можно применять в структурах как с встроенной однонаправ-
ленностью, так и без нее (фиг. 3.1,6). Если барьеры форми-
руются ионной имплантацией, то направление переноса заряда
остается тем же самым, что и в приборах с поверхностным
каналом.
Выбор поверхностного или объемного канала определяется
главным образом характеристиками, которые должен иметь
прибор. Хотя в приборах с поверхностным каналом в режиме
непустого нуля удавалось добиться низкой неэффективности
переноса (~ 10~5), приборы с объемным каналом в общем слу-
чае лучше работают при малых уровнях сигнала и имеют
меньший шум переноса. Кроме того, при заданных размерах
электродов приборы с объемным каналом могут работать на
более высоких частотах. С другой стороны, изготовление при-
боров с объемным каналом связано с дополнительными техно-
логическими операциями; в ПЗС с объемным каналом труднее
получить такие же малые темновые токи, как в приборах с по-
верхностным каналом [90].
3.	УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА
Приборы с зарядовой связью, предназначенные для практи-
ческого использования, должны быть снабжены устройствами,
позволяющими вводить и удалять сигнальные зарядовые па-
кеты. В потенциальных ямах заряд может накапливаться из-за
темнового тока, фотоэлектрической генерации и электрической
60
Глава 3
инжекции носителей, однако управляемы лишь фотоэлектриче-
ская генерация и электрическая инжекция, которые и можно
использовать для введения сигнальных зарядовых пакетов.
Темновой ток создает нежелательную помеху, действие кото-
рой обсуждается в следующей главе. Генерация заряда фото-
нами является доминирующим источником неосновных носите-
лей в приемниках изображения и обсуждается в гл. 5. В следую-
щих разделах рассматриваются способы электрического ввода
сигнала, т. е. преобразование сигнального напряжения или
тока в зарядовый пакет эквивалентной величины, и обратный
процесс измерения величины зарядовых пакетов на выходе
прибора. Комбинации способов ввода и вывода используются
для регенерации сигнала. Хотя описываемые ниже конструкции
устройств ввода и вывода относятся к приборам с поверхност-
ным каналом, в большинстве случаев их легко применить и
в приборах с объемным каналом. Количественные характери-
стики некоторых более сложных цепей обсуждаются в гл. 5.
3.1	ИНЖЕКЦИЯ ЗАРЯДОВЫХ ПАКЕТОВ	
В канал переноса ППЗ заряд обычно инжектируется из
специального входного диода, хотя в первых лабораторных опы-
тах неосновные носители генерировались посредством локаль-
ного лавинного пробоя под одним из электродов переноса [16].
Простейший способ электрического ввода заряда заклю-
чается в том, что сигнал подается на входной диод ID, а к
входному затвору IG, который представляет собой первый от-
дельно выведенный электрод переноса, прикладывается посто-
янный потенциал (фиг. 3.12, а). В этом случае величина вход-
ного сигнала отсчитывается от потенциала входного затвора.
Можно сделать и наоборот, т. е. входной сигнал подавать на
входной затвор, а к входному диоду прикладывать постоянный
потенциал. При использовании этих способов ввода заряда, на-
зываемых динамической инжекцией, величина инжектирован-
ного зарядового пакета нелинейно связана с входным напря-
жением, зависит от порогового напряжения входного затвора и
от длительности промежутка времени, отведенного для инжек-
ции, и, таким образом, от тактовой частоты.
В ряде случаев, особенно при обработке аналоговых сигна-
лов, необходима линейная инжекция заряда с низким уровнем
шума и стабильными характеристиками. Поэтому были пред-
ложены способы ввода заряда с лучшими, чем у динамической
инжекции, свойствами. В одном из них (фиг. 3.12, б) напряже-
ние сигнала подается на входной диод ID, входной затвор IG
открыт, и потенциальная яма под первым из регулярных элек-
тродов переноса Р2 заполняется до соответствующего сигналу
Способы физической реализации
61
ZZ7 16 Р2 РЗ Р1 Р2 РЗ Р1
а
W 16 Р2 РЗ Р1 Р2 РЗ Р1
Фиг, 3.12. Различные способы ввода заряда в ПЗС. Форма прикладываемых
импульсов показана справа: динамическая инжекция (а), отсечка диода (б),
уравнивание потенциалов (в) и (г). В способе (в) к электроду, под которым
формируется зарядовый пакет, прикладываются импульсы. В модифицирован-
ном способе уравнивания потенциалов (г) входной сигнал прикладывается
к электроду увеличенной площади; под этим же электродом формируется за-
рядовый пакет.
уровня. После этого входной затвор закрывается, и таким
образом зарядовый пакет под электродом Р2 изолируется от
входного диода, прежде чем зарядовый пакет будет перенесен
под следующий электрод. Напряжение входного сигнала мо-
жет достигать амплитуды тактовых импульсов Vp [91]. Этот
62
Глава 3
способ ввода заряда называется отсечкой диода [92]. В описан-
ном способе величина зарядового пакета нелинейным образом
зависит от напряжения входного сигнала из-за изменения
емкости обедненного слоя потенциальной ямы, в которой фор-
мируется зарядовый пакет. Нелинейность можно несколько
уменьшить, если входной диод поддерживать под постоянным
низким потенциалом, а входной сигнал подавать на второй
входной затвор, расположенный на месте первого электрода Р2.
В этом случае яма под ним заполняется всегда до одного и того
же уровня, задаваемого потенциалом на входном диоде ID,
и зависимость величины зарядового пакета от напряжения
входного сигнала становится более линейной.
Значительно более линейную зависимость величины заря-
дового пакета от напряжения входного сигнала и меньший
уровень шума можно получить при вводе заряда способом
уравнивания потенциалов, который называют также способом
заливки и сброса или способом предзарядки [93—96]. Во всех
вариантах исполнения этого способа входной сигнал представ-
ляет собой разность потенциалов двух первых электродов пере-
носа, причем зарядовый пакет формируется в потенциальной
яме под вторым электродом; емкость ямы связана линейным
образом с напряжением входного сигнала. К входному диоду ID
прикладываются импульсы, необходимые для того, чтобы
сначала переполнить потенциальную яму под вторым электро-
дом, а затем отсосать из нее избыток заряда до уровня, кото-
рый определяется потенциальным барьером под первым элек-
тродом IG.
В простейшем варианте исполнения [94, 96] сигнал подается
на единственный входной затвор IG, а зарядовый пакет фор-
мируется в потенциальной яме под первым регулярным элек-
тродом переноса (фиг. 3.12, в). В то время, когда первый
электрод переноса Р2 включен, на входной диод ID подается
импульс, смещающий его до низкого потенциала, чтобы про-
исходила инжекция заряда в потенциальную яму под электро-
дом Р2 через потенциальный барьер под входным затвором IG.
Величина зарядового пакета определяется площадью электро-
да, под которым формируется зарядовый пакет, и разностью
потенциалов Vp2—Vig, но не зависит от уровня легирования
подложки и емкости обедненного слоя.
В другом варианте исполнения [92, 97, 98, 99] к первому
затвору G1 прикладывается низкий постоянный потенциал,
а входной сигнал подается на второй затвор G2, в потенциаль-
ной яме под которым формируется зарядовый пакет
(фиг. 3.12,а). В этом случае формирование зарядового пакета
заканчивается всегда при одном и том же значении поверх-
ностного потенциала, и краевые поля или неоднородности слоя
Способы физической реализации
63
окисла под барьерным электродом G1 неизменным образом
влияют на величину зарядового пакета. Если потенциал элек-
трода, на который подается сигнал, меньше чем Vr + Vp/2, то
при включении соответствующей фазы тактового питания все
носители перетекут под следующий электрод переноса РЗ.
В этом варианте способа уравнивания потенциалов на элек-
трод, под которым формируются зарядовые пакеты, не подают-
ся импульсы, что существенно снижает уровень шума. Площадь
затвора, под которым формируется зарядовый пакет, и пло-
щади следующих двух электродов переноса должны быть по
крайней мере в два раза больше, чем площади остальных
электродов переноса, для того чтобы управляющая способность
входной цепи была не меньше, чем управляющая способность
остальной части прибора. Следует отметить возможность фор-
мирования зарядовых пакетов дополнительной друг к другу
величины способом уравнивания потенциалов.
Для обработки аналоговых сигналов лучше всего пригоден
последний вариант способа уравнивания потенциалов, по-
скольку он имеет хорошую линейность и низкий уровень шума,
о чем можно судить по экспериментальным результатам, кото-
рые обсуждаются в разделе об ограничении характеристик.
Способ уравнивания потенциалов чувствителен не к самой
величине порогового напряжения, а к разности пороговых на-
пряжений смежных электродов. Взаимозаменяемость приборов
с вводом заряда способом уравнивания потенциалов ограничи-
вается разбросом пороговых напряжений смежных электродов
из одного или разных слоев проводника. По этой же причине
в приборах с несколькими параллельными входами, например
в мультиплексорах, будет возникать постоянный геометриче-
ский шум. Чтобы устранить этот вредный эффект, напряжения,
определяющие величину формируемого зарядового пакета,
должны последовательно подаваться на один и тот же элек-
трод [100] (фиг. 3.13). Потенциальная яма под электродом MW,
в которой формируется зарядовый пакет, при помощи импуль-
сного смещения входного диода до низкого и обратно до высо-
кого потенциала сначала переполняется, а затем опустошается
до уровня, определяемого поверхностным потенциалом под
электродом MG (фиг. 3.13,6). Во время этой операции входной
затвор IG в канал переноса закрыт, а к электроду MG прило-
жено опорное напряжение Vref- Затем стоковый затвор DG
закрывается, а входной затвор IG открывается. Поскольку при
этом электрод MG подключается к более высокому потенциалу
Vsig, то некоторое количество заряда перетекает из потенци-
альной ямы под электродом MW в потенциальную яму под
первым электродом переноса Р1 (фиг. 3.13, в). Количество
перетекшего заряда определяется разностью потенциалов
MW MG SP DG ID
Фиг, 3.13. Конструкция устройства для ввода заряда в ПЗС (а), при исполь-
зовании которого величина зарядового пакета не зависит от разности порого-
вых напряжений. На поперечных сечениях (б) и (в) поясняется процесс фор-
мирования зарядового пакета. Потенциальная яма под электродом MW спо-
собом уравнивания потенциалов заполняется до уровня, соответствующего
опорному напряжению (б); в яму под электрод Р1 перетекает заряд, вели-
чина которого соответствует разности величин опорного и сигнального напця-
'	жений (в) [100].
Способы физической реализации	65
Vsig—Vref и емкостью электрода M.W, но не зависит от поро-
гового напряжения. В предварительных экспериментах, прове-
денных на структуре с зазорами между электродами [100], при
применении описанного способа подавления влияния разброса
пороговых напряжений величина геометрического шума деся-
тивходового мультиплексора уменьшалась на порядок.
3.2.	ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЗАРЯДОВЫХ ПАКЕТОВ
В первых лабораторных опытах [16] переданный по регистру
ПЗС зарядовый пакет сбрасывался в подложку путем смеще-
ния электрода в режим обогащения, и выходной сигнал пред-
ставлял собой ток в цепи подложки. Этот способ считывания
величины зарядовых пакетов имеет очевидные ограничения:
с его помощью в некоторый момент времени можно считывать
только один сигнал на кристалле, и, кроме того, период повто-
рения сигналов должен быть не меньше времени рекомбинации
неосновных носителей в подложке. В настоящее время приме-
няются локализованные выходные цепи различной степени
сложности, позволяющие с хорошей точностью считывать ве-
личины сравнительно небольших зарядовых пакетов и не вно-
сящие в сигнал избыточного шума.
В первых образцах ПЗС использовалась токовая выходная
цепь; зарядовые пакеты обнаруживались при помощи специ-
ального выходного диода и расположенного вне кристалла
предусилителя с токовым входом. Обратная связь по току
обеспечивала низкий входной импеданс, и выходной диод под-
держивался при постоянном потенциале (фиг. 3.14, а). Примене-
ние токовой выходной цепи совместно с фильтром нижних
частот или со стробируемым интегратором давало очень хоро-
шую линейность, но выводы корпуса вносили избыточную
емкость порядка нескольких пикофарад.
Первым шагом на пути создания интегрального предусили-
теля и резкого уменьшения паразитных емкостей было добав-
ление активного и разрядного МОП-транзисторов (фиг. 3.14).
Для выходной цепи с активным и разрядным транзисторами
предпочтительнее режим стробируемого интегратора [48, 49],
при котором величина выходного сигнала достигает нескольких
вольт. В одном из вариантов исполнения такой выходной цепи
считывающий диод расположен под одним из электродов пере-
носа (фиг. 3.15), на который передаются изменения поверх-
ностного потенциала, обусловленные величиной зарядовых па-
кетов. Считывающий диод должен присоединяться к усилителю
с большим импедансом, например к затвору МОП-транзистора.
Разрядный ключ в стробируемом интеграторе, устанавли-
вающий определенное значение потенциала детектирующего
3 Зак. 816
66
Глава 3
РЗ Р1 Р2 РЗ PI Р2 DD
Фиг. 3.14. Цепь считывания заряда, в которой применяется внешний предуси-
литель, подключенный к выходному диоду (а); активный и разрядный МОП-
транзисторы, изготовленные на одном кристалле и работающие в режиме
стробируемого интегратора заряда (б); плавающий затвор МОП-транзистора,
при помощи которого величина зарядового пакета измеряется неразрушаю-
щим образом (в).
узла перед каждым измерением величины зарядового пакета,
вносит определенный шум (гл. 4, разд. 3.4), который можно
подавить, применив двойную коррелированную выборку [101].
Электрическая схема устройства, реализующего двойную кор-
релированную выборку, показана на фиг. 3.16, а, а временные
диаграммы импульсов — на фиг. 3.16,6. Рабочий цикл выходной
цепи состоит из четырех периодов. В течение периода замы-
канием разрядного ключа на выходном диоде устанавливается
опорный потенциал VR. Затем разрядный ключ размыкается,
а ключ хранения замыкается, и в течение периода t2 на узле N
Способы физической реализации
67
устанавливается потенциал Ус, который сохраняется на узле N
с высоким импедансом и после размыкания ключа хранения.
В течение периода t3 в детектирующий узел течет сигнальный
3-1
Полевой электрод
из поликремния
ф-1 Ф-2
G-1G-2
810г	—

'	J j Ш
Л '° -А1мк
р-кремний	2000А 3000А
3-2
G-3G-4
Поли-,
кремнии
D-1
Алюминий
Ширина каналов 25,4 мкм
и 127 мкм
Г*
1000А
область
Выход в-5 р-з
D-2
Выходной инвертор
а

Фиг. 3.15. Поперечное сечение (а) и вид сверху (б) 500-элементного двух-
фазного ПЗС с двумя параллельными каналами различной ширины и экспе-
риментальными цепями ввода и считывания заряда [49].
заряд. На узле N, который имеет емкостную связь с детектирую-
щим узлом, сигнал проявляется в виде добавки к потенциалу
Ус. За период сигнал считывается цепью выборки и хране-
ния. Описанная выходная цепь работала при тактовой частоте,
равной нескольким мегагерцам.
Вместо считывающего диода можно применить плавающий
затвор, расположенный над каналом переноса [12, 46, 47, 102,
103]; величина зарядового пакета считывается по электростати-
ческому изображению на плавающем затворе (фиг, 3.14, в).
68
Глава 3
Поскольку плавающий затвор не имеет определенной связи с
землей по постоянному току, потенциал плавающего затвора
необходимо устанавливать либо специальным ключом [46], либо
а
Ключ
хранения
Ключ
выборки
Фиг. 3.16. Цепь считывания (а), в которой шум установки потенциала на вы-
ходном узле подавляется посредством двойной коррелированной выборки, и
формы сигнала в различных точках (б) [101].
емкостным способом с помощью электрода с постоянным сме-
щением [102]. Усилитель с плавающим затвором можно сделать
очень компактным, с малой входной емкостью и, таким обра-
зом, обеспечить высокую чувствительность и большую величину
отношения сигнал/шум.
Так как при считывании величины зарядового пакета с по-
мощью усилителя с плавающим затвором зарядовый пакет не
разрушается, то его величину можно считать несколько раз,
пропуская зарядовый пакет под плавающими затворами не-
скольких усилителей. Если выходные сигналы усилителей
Способы физической реализации
69
Входной регистр РУПЗ
Входной 12	3	н 12
Входной
усилитель	______
заряда
Выходной регистр РУПЗ
\7Выходной
I усилитель
Выходной
сигнал
Зле кт род
с постоянным Управляющий
смещением Зпт/>пп затвор
выходной
регистр
Управляющий
затвор
закрыт
Управляющий
затвор
открыт
У
Фиг. 3.17. Организация распределенного усилителя с плавающими затвора-
ми (а) и поперечный разрез каскада усиления сигнала (б) [105].
сложить, учитывая сдвиг фаз между ними, то отношение си-
гнал/шум увеличится как корень квадратный из числа усили-
телей. По описанному принципу работает распределенный
усилитель [102, 104]. Удобнее всего выходы усилителей с пла-
вающими затворами соединить с сдвиговым регистром на ПЗС
с большей площадью электродов (фиг. 3.17, а). Распределен-
ный усилитель с плавающими затворами (РУПЗ) применялся
в приемнике изображения, содержащем 190X244 элементов
[105] (гл. 5, разд. 2.3). Распределенный усилитель состоял из
входного регистра, набора из двенадцати аналоговых регенерато-
ров с плавающими затворами, двенадцатиразрядного выходного
70
Глава 3
регистра с широким каналом и выходного усилителя с плаваю-
щим затвором, работающим в режиме стробируемого интегра-
тора. Оба регистра были четырехфазными и питались одними
и теми же тактовыми импульсами.
Поперечный разрез распределенного усилителя показан на
фиг. 3.17,6. Плавающие затворы соединены с входными за-
творами устройств ввода заряда в выходной регистр, работаю-
щими в режиме динамической инжекции. Когда во входном
регистре зарядовый пакет находится под плавающим затвором,
на определенное время открывается управляющий затвор и в
потенциальную яму под электродом выходного регистра течет
ток, величина которого зависит от потенциала плавающего за-
твора. Усилитель является инвертирующим, поскольку при
большем зарядовом пакете течет меньший ток. Выходной
регистр должен иметь электроды такой площади, чтобы он мог
обрабатывать зарядовые пакеты максимальной величины, на-
капливающиеся от всех двенадцати усилителей. Следовательно,
при заданном режиме работы усилителей ширина канала вы-
ходного регистра должна увеличиваться пропорционально
числу усилителей. Преимущество описанной выходной цепи
заключается в том, что ее можно выполнить на одном кри-
сталле. В настоящее время эта выходная цепь обладает самой
высокой способностью обнаруживать заряд [104, 105].
Количественное рассмотрение линейности и отношения
сигнал/шум некоторых выходных цепей дано в гл. 4, разд. 3.4,
3.3.	РЕГЕНЕРАЦИЯ
Информация, проходя в виде зарядовых пакетов по при-
бору с зарядовой связью, постепенно деградирует из-за тем-
нового тока и неэффективности переноса. Чтобы время хране-
ния информации в ПЗС не ограничивалось временем темновой
релаксации потенциальных ям, информацию нужно периоди-
чески регенерировать. Это легко сделать, если информация
представлена в бинарной форме, считывая величину зарядового
пакета и сравнивая ее с заданным уровнем. Если величина
пакета превосходит заданный уровень, то в следующую секцию
прибора инжектируется зарядовый пакет полного размера.
Принцип построения простого и компактного инвертирую-
щего бинарного регенератора показан на фиг. 3.18. Изменение
поверхностного потенциала, обусловленное приходом зарядо-
вого пакета, считывается с помощью диффузионной области,
расположенной под одним из электродов переноса. Диффузион-
ная область соединена с входным затвором устройства ввода
заряда в соседний канал. Когда к диффузионной области при-
Способы физической реализации
71
ходит 0, т. е. пустая потенциальная яма, ее потенциал достигает
наибольшей положительной для n-канальных приборов вели-
чины; входной затвор открывается и во второй канал вводится
зарядовый пакет. Если к диффузионной области приходит за-
рядовый пакет достаточной величины, то потенциал входного
Канал 1
Канал 2
Исток
Контактное
окно
Управляющий
затвор
Электроды
переноса
Фиг. 3.18. Устройство бинарного инвертирующего регенератора.
а — вид сверху и б — поперечное сечение [106].
затвора снижается ниже задаваемого напряжением на входном
диоде уровня, и во второй канал заряд не вводится.
Разнообразные инвертирующие и неинвертирующие бинар-
ные регенераторы можно получить, комбинируя различные
способы считывания и ввода заряда, описанные в двух пре-
дыдущих разделах [47, 107, 108, 109, ПО]. Если простой реге-
нератор, принцип действия которого показан на фиг. 3.18, при-
менить в приборе с узким каналом, то на работу регенера-
тора большое влияние будет оказывать паразитная емкость,
72
Глава 3
и чувствительность регенератора к заряду уменьшится. Умень-
шение чувствительности регенератора сужает диапазон допу-
стимых напряжений входного диода. Эту трудность можно
обойти с помощью балансного бистабильного детектора, кото-
рый использовался в ЗУ с произвольной выборкой.
Для считывания и регенерации цифровой информации, за-
кодированной несколькими дискретными величинами зарядовых
пакетов, требуются более сложные цепи. При рециркуляции
чисто аналоговой информации на стабильность, линейность и
другие характеристики всех цепей налагаются такие жесткие
требования, что их нет смысла рассматривать, исключая лишь
случай очень небольшого числа рециркуляций. В лабораторных
опытах сигнал, вырабатываемый двумерным приемником изо-
бражения на ПЗС, рециркулировал по прибору три-четыре
раза, чем была продемонстрирована возможность выделения
изображений движущихся объектов или вычитания темновых
токов [111]. Для достижения большей точности при определе-
нии эффективности переноса в коротких сдвиговых регистрах
применялась более чем стократная рециркуляция группы им-
пульсных сигналов [112]; в рекурсивных фильтрах выполнялось
интегрирование (гл. 6, разд. 1 и 3).
3.4.	СОЕДИНЕНИЕ И РАЗВЕТВЛЕНИЕ КАНАЛОВ
В сложении зарядовых пакетов из разных каналов в одну
потенциальную яму и последующем переносе суммарного за-
рядового пакета принципиальных трудностей нет. Однако если
такое сложение должно происходить при высокой тактовой
частоте, то размеры электродов в направлении переноса заряда
должны быть достаточно малыми во всех ячейках. Эта задача
решена путем постепенного сближения каналов на нескольких
ячейках переноса [113] (фиг. 3.19, а). В этом случае смещение
зарядовых пакетов на ширину канала переноса происходит за
несколько периодов тактового питания. Разработан прибор с
несколькими аналогичными входами [114].
Устройство, изображенное на фиг. 3.19, а, можно применить
и для разделения зарядовых пакетов на две части, если пере-
нос заряда производить в обратном направлении. Отношение
частей, получаемых в результате деления, будет определяться
положением начала делителя в канале. Точность деления за-
рядовых пакетов таким способом будет, конечно, зависеть от
однородности поверхностного потенциала под электродами
переноса.
На фиг. 3.19,6 показана конструкция, позволяющая выбо-
рочно извлекать зарядовые пакеты из канала переноса при
Способы физической реализации
73
Фиг. 3.19. Способ слияния (или разделения) двух каналов переноса заря-
да (а) и способ извлечения сигнального заряда из широкого канала пере-
носа (б).
высокой тактовой частоте. Выборочное извлечение осуще-
ствляется с помощью дополнительного затвора переноса TG.
Когда он закрыт, все зарядовые пакеты будут оставаться в
главном канале. Если же затвор переноса TG открыт, а вы-
ходной регистр работает при большей, чем в главном канале,
амплитуде тактовых импульсов, то зарядовые пакеты через
боковые каналы будут перетекать в выходной регистр. Пере-
текание происходит параллельно по всем таким каналам,
74
Глава 3
и заряд, не перетекший через первый канал, может перетечь че-
рез следующие. Поскольку оба регистра питаются синхронными
тактовыми импульсами, данный способ извлечения зарядовых
пакетов не будет вносить в сигнал фазовых искажений.
Устройства, рассмотренные в этом разделе, применяются
для обработки специальных сигналов, а также в высокочастот-
ных цепях мультиплексирования и демультиплексирования.
Работа описанных устройств проверялась в специальных коль-
цевых регистрах на ПЗС с рециркуляцией [113].
Глава 4
Физические ограничения
Как и в любом другом устройстве, в ППЗ существуют огра-
ничения, связанные с физическими процессами, протекающими
в самом приборе. В данной главе авторы попытались описать
эти процессы и вычислить предельные характеристики опреде-
ленной структуры. Полученные результаты важны при проекти-
ровании ППЗ и анализе их функциональных возможностей.
1.	УПРАВЛЯЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ1)
Необходимость иметь большие сигналы, которые легко де-
тектировать с большим отношением сигнал/шум, входит в про-
тиворечие с требованием увеличивать для этой цели размеры
элемента или рабочее напряжение. Максимальная величина за-
ряда, которым может управлять ППЗ, определяется в основном
геометрией прибора и импульсом прикладываемого напряжения.
1.1.	ПЗС С ПОВЕРХНОСТНЫМ КАНАЛОМ
По мере того как все больше и больше заряда накапливается
в потенциальной яме ПЗС с поверхностным каналом, величина
поверхностного потенциала $s приближается к нулю — значе-
нию, при котором избыток заряда инжектируется в объем полу-
проводника, где он рекомбинирует с основными носителями.
Поэтому нормальный режим работы ПЗС возможен лишь тогда,
когда на все электроды подано смещение выше порогового
[17, 115], чтобы избежать инжекции в подложку той части сиг-
нального заряда, которая захватывается на поверхностные со-
стояния 2). В этом случае избыток носителей в сигнальном пакете
1) Управляющей способностью ППЗ в настоящей книге называется мак-
симальный заряд, которым может управлять данный прибор при данном на-
пряжении тактового питания. — Прим, перев.
2) При напряжении ниже порогового инжектироваться в подложку и ре-
комбинировать там могут лишь носители, захваченные на поверхностные со-
стояния с малым временем генерации. Остальной захваченный заряд будет
рекомбинировать на поверхностных состояниях с основными носителями, при-
ходящими к поверхности из подложки. — Прим, перев.
76
Глава 4
будет перетекать вдоль поверхности, обедненной основными
носителями, в область с меньшим потенциалом, но не будет
инжектироваться в подложку. Соседние потенциальные ямы от-
делены друг от друга вдоль канала переноса потенциальными
барьерами фп под электродами, которые поддерживаются при
малом или остаточном потенциале Vr. Заряд, который может
быть запасен в потенциальной яме под накапливающим электро-
дом с потенциалом Vr + Vp, определяется выражением
QP = VPAC0X = VPA-^,	(4.1)
где А — активная площадь электрода, Сох — емкость слоя окисла
на единицу площади, 80Х — диэлектрическая постоянная окисла
и dox — толщина слоя окисла. При работе часто оказывается
удобным отсчитывать все потенциалы от уровня остаточного
потенциала VR. Затем простой регулировкой величины Vr уста-
навливается напряжение выше порогового без изменения ам-
плитуд импульсов, а следовательно, и управляющей способности.
Управляющая способность может быть экспериментально
измерена с помощью электрической или оптической инжекции
в устройство небольшого числа зарядовых пакетов. При этом
величина каждого пакета постоянно увеличивается до тех пор,
пока число сигналов, появляющихся на выходе прибора, не пе-
рестанет соответствовать числу инжектированных зарядовых
пакетов вследствие растекания избыточного заряда в соседние
потенциальные ямы. Максимальную величину заряда в пакете
можно увеличить, повышая напряжение УР. Однако при слиш-
ком больших значениях импульсного напряжения Vp величина
поверхностного потенциала в пустой яме ограничивается лавин-
ным пробоем в кремнии. Абсолютное ограничение управляющей
способности существует и в заполненной яме, причем даже при
еще меньших значениях УР, вследствие возникновения при опре-
деленном поле Вмакс лавинного пробоя в слое диэлектрика, к ко-
торому в этом случае оказывается приложена большая часть
напряжения VP. Максимальная плотность заряда, которая мо-
жет быть запасена на границе раздела кремний — окисел, равна»
таким образом,
^ = W0XEKaKC « 1,6  КГ6	1013 электрон см"2,
где £*макс — значение поля пробоя окисла, лежащее обычно
в пределах 1—5-106 В-см-1. В трехфазных ПЗС максимальное
значение сигнального тока (Л)зф при данном импульсном на-
пряжении Vp можно легко вычислить из выражения (4.1)
(Is)3, = QPfe = VPAC0Xfc,	(4.2)
Физические ограничения
77
Тактовый период
pi\ I_____________________г
PJ1___________I I______________г
а
?4 I______________I ' I_______________Г
8
Р1\
рГ\_________________I
г
Р1\	I_________________I
Р2 |_________________I	I
д
Фиг. 4.1. Форма тактовых импульсов в различных ПЗС.
а —трехфазный ПЗС; б—четырехфазный ПЗС, работающий в обычном четырехтактном режи-
ме; в — четырехфазный ПЗС, работающий в режиме, который обеспечивает увеличение управ-
ляющей способности в 2 раза; а —двухфазный ПЗС, работающий в режиме «выталкиваю-
щих импульсов»; б —двухфазный ПЗС, работающий в режиме «сбрасывающих импульсов».
где fc — тактовая частота. Для типичного ПЗС с электродами
длиной 10 мкм на слое окисла толщиной 150 нм и шириной
канала 20 мкм, работающего при импульсном напряжении
с амплитудой 10 В, полный пакет содержит 0,46 пКл или
2,8-106 электронов и ток сигнала на частоте 1 МГц равен
0,46 мкА.
Для обеспечения управления зарядовым пакетом в течение
всего времени новую потенциальную яму следует создавать до
78
Глава 4
того, как исчезнет старая, т. е. импульсы тактового питания
должны перекрываться (фиг. 4.1, а). Если трехфазный ПЗС ра-
ботает с синусоидальными импульсами, управляющая способ-
ность составляет 75% величины, которая получается при прямо-
угольных импульсах с той же амплитудой напряжения
(фиг. 4.2, а). Когда те же приборы работают в таком режиме,
в котором на два электрода ячейки подаются импульсы напря-
жения, а на третий электрод — некоторое промежуточное по-
стоянное напряжение, управляющая способность не превышает
половины того значения, которое достигается для прямоуголь-
ных импульсов. Однако экспериментально наблюдаемое значе-
ние составляет ~40% [38].
Приборы с четырьмя электродами в ячейке, работающие
в простом четырехтактном режиме (фиг. 4.1,6), имеют примерно
такую же управляющую способность, что и трехфазные приборы
с той же активной площадью электрода А. Однако эти приборы
могут работать в режиме, при котором по крайней мере под
двумя электродами в течение всего времени остаются потен-
циальные ямы (фиг. 4.1, в). В этом случае их управляющая спо-
собность увеличивается в 2 раза.
В двухфазных ПЗС максимальный сигнальный ток (Л)2ф
определяется высотой потенциального барьера фъ, а также пло-
щадью Ast и удельной емкостью (Cox)st той части электродов,
под которой происходит накопление заряда:
(Is)2. = i>bAst(C0X)stfc.	(4.3)
Величина барьера фь в общем случае зависит от приложенного
к электроду напряжения, поэтому управляющая способность
зависит от режима работы прибора. Если импульсы существенно
перекрываются (фиг. 4.1,г), то оба электрода в некоторый мо-
мент оказываются под наибольшим напряжением, и ступенька
потенциала, которая определяет максимальный сигнал, равна
Фь(УР-\-Уп)- Если используются прямоугольные тактовые им-
пульсы формы, показанной на фиг. 4.1, д то импульсы не пере-
крываются и изменение напряжения на обоих электродах про-
исходит одновременно. Обычно Фъ возрастает с увеличением
напряжения, приложенного к электроду. Поэтому
h(VRX<l>b(VP + VR).
Следовательно, режим «сбрасывающих импульсов» (фиг. 4.1,6)
характеризуется меньшей управляющей способностью, чем ре-
жим «выталкивающих импульсов» (фиг. 4.1, а) [116].
Для практических целей удобно определить также некоторые
другие характерные уровни заряда в ППЗ. Как отмечалось
выше, для импульсов тактового напряжения данной формы и
для данной электродной структуры существует максимальный
Физические ограничения
79
Фиг. 4.2. Зависимость управляющей способности от амплитуды импульсов
для различных ПЗС.
а —трехфазный ПЗС с поверхностным каналом, работающий с прямоугольными, синусо-
идальными импульсами и в асимметричном двухтактном режиме [38]; б — ПЗС с объемным
каналом, созданным поверхностной имплантацией (мелкий канал), толстым эпитаксиальным
слоем (глубокий канал) и комбинацией этих двух способов (профилированный канал) [81].
заряд QP, который можно удерживать в потенциальной яме.
В данном приборе с электрическим входом может оказаться
невозможным инжектировать этот максимальный заряд из-за
ограничений, обусловленных геометрическими или электриче-
скими параметрами входной цепи. Поэтому следует определить
вторую величину Q*, представляющую собой максимальный
80
Глава 4
зарядовый пакет, который можно инжектировать электрическим
путем. В аналоговом режиме работы приборов с переносом за-
ряда инжектированный сигнальный зарядовый пакет Qs обычно
ограничивается даже меньшей величиной, чтобы избежать не-
линейных возмущений, которые возникают, когда инжектируе-
мый заряд близок по величине к Qi. В ПЗС с поверхностным
каналом также необходимо поддерживать минимальный уро-
вень заряда Qb, так называемый фоновый заряд, или «непустой
нуль», для того чтобы гарантировать хорошую эффективность
переноса (разд. 2.1). Кроме того, в аналоговых устройствах
задержки соответствующий фоновый заряд дает возможность
работать со знакопеременным входным сигналом. Следует также
принять во внимание, что обычно всегда имеется заряд малой,
но конечной величины Qt, который создается за время движения
потенциальных ям от входа к выходу вследствие тепловой гене-
рации носителей и появляется на выходе. Именно этот темновой
заряд (разд. 5) определяет динамический диапазон ПЗС при
повышенных температурах и (или) больших временах за-
держки.
1.2.	ПЗС С ОБЪЕМНЫМ КАНАЛОМ
В ПЗС с объемным каналом сигнальный заряд находится
на большем расстоянии от электродов переноса, чем в ПЗС
с поверхностным каналом, и поэтому эффективная емкость слоя
окисла уменьшается. Сигнальный заряд Qs всегда находится
внутри легированной области и в случае однородного канала,
имплантированного на глубину dCh, локализуется в области
между di и d2 (фиг. 2.6). Величину этого заряда можно опреде-
лить выражением
Qs = Qnd (d2 — di) при dt<d2< dcll. (4.4)
Границы d\ и d2 определяются из решения одномерного урав-
нения Пуассона. Использование стандартного приближения
обедненного слоя дает для потенциала в канале переноса <f>ch
ряд выражений [83], которые соответствуют уравнению (2.1) для
ПЗС с поверхностным каналом (фиг. 2.6):
-г _	(45)
0 2e0eSi Сох '	W
где
у' = у _ V =V —Ф 4- -ss-
V G V G V FB V G • MS Cox ’
d[ = d2—%-,
1	2 4Nd
,	Г 2еОе5!^л(^й + 0рП)'11/»
L qND(NA + Ne) J •
Физические ограничения
81
Максимальный заряд SB, которым можно управлять в ПЗС
с объемным каналом до тех пор, пока заряд не доходит до
поверхности, меньше заряда, который может храниться в по-
верхностном канале (Ss) при одинаковой геометрии электродов.
Для данного тактового напряжения амплитуда отношения
Sg/SB определяется выражением
__ 1 I 8oxdch
$В	^eSi^ox
(4.6)
где 80х и 8si — диэлектрические постоянные двуокиси кремния
и кремния соответственно, dox — толщина слоя окисла и dCh—
эффективная толщина эпитаксиального слоя или имплантиро-
ванного канала, который считается однородно легированным по
всей глубине канала. Таким образом, управляющая способность
уменьшается с увеличением глубины канала. Для приборов
с dox = 150 нм и dCh = 1 мкм отношение Ss/SB = 2. Такое зна-
чение наблюдалось и экспериментально на приборах с гауссов-
ским распределением имплантированной примеси при пике кон-
центрации около поверхности 1,6-1016 см-3 и глубине залегания
металлургического перехода 2,1 мкм. Эти приборы имели упра-
вляющую способность 5-1011 электрон/см2 при работе с такто-
выми импульсами с амплитудой 10 В [43]. То же отношение
было получено при изучении распределения заряда в объемных
каналах на ЭВМ [117—119].
На фиг. 4.3 показано распределение заряда в объемном ка-
нале с переменным легированием. Из кривых на этой фигуре
видно, что по мере увеличения уровня сигнала максимум за-
ряда продвигается к поверхности. Этим объясняется занижен-
ная величина управляющей способности, вычисленной в пред-
положении, что сигнальный зарядовый пакет центрируется около
максимума потенциала пустого канала [84, 120, 121]. В ПЗС
с объемным каналом, сконструированном для работы на часто-
тах порядка 100 МГц [80] и имеющем эпитаксиальный слой тол-
щиной 4,5 мкм, легированный донорами с концентрацией
Nd = 7-1014 см-3, и слой двуокиси кремния толщиной 150 нм,
максимальная плотность сигнального заряда составляет только
1,5‘Ю11 электрон/см2 при амплитуде импульсов тактового пи-
тания 10 В. Как отмечалось в гл. 2 (разд. 2.2), эффективный
высокочастотный перенос возможен и при увеличении упра-
вляющей способности, если использовать канал с оптимальным
профилем легирования. Сочетание эпитаксиального слоя тол-
щиной в 4,5 мкм с Nd = 3-1014 см~3, с дополнительным тонким
(0,5 мкм) имплантированным слоем с поверхностной концентра-
цией фосфора 5-Ю11 см"2 и слоем окисла толщиной 100 нм
увеличивает управляющую способность приблизительно в 3,5
раза [81]. На фиг. 4.2,6 представлена зависимость управляющей
82
Глава 4
способности от амплитуды напряжения тактового питания для
различных ПЗС с объемным каналом, созданным поверхност-
ной имплантацией либо толстым эпитаксиальным слоем, и с про-
филированным каналом, созданным с использованием комбина-
ции этих двух способов.
Фиг. 4.3. Распределение сигнального заряда в направлении, перпендикулярном
поверхности полупроводника, в ПЗС с объемным каналом с гауссовским рас-
пределением легирующей примеси в слое канала [119].
Так как между зарядом в канале и окислом всегда имеется
обедненный слой кремния, абсолютный максимум сигнального
заряда в структуре с объемным каналом ограничивается лавин-
ным пробоем у поверхности кремния, а следовательно, степенью
легирования слоя канала. В этом состоит отличие ПЗС с объем-
ным каналом от ПЗС с поверхностным каналом.
2.	НЕЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕНОСА
Важнейшей особенностью прибора с переносом заряда яв-
ляется его способность поддерживать целостность зарядовых
пакетов при их переносе вдоль прибора. В последующих разде-
лах будет рассмотрено влияние различных факторов, приводя-
щих к расплыванию пакета заряда,
Физические ограничения
83
2.1.	КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ
НЕЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕНОСА
Перенос заряда из одной ямы в другую не является ни мгно-
венным, ни полным. Это накладывает определенные ограниче-
ния на скорость работы ПЗС и на полное число переносов,
которое можно совершить без существенной деградации сиг-
нала. Отсутствие полного переноса означает, что при каждом
переносе небольшое количество заряда отстает от пакета. Этот
эффект накапливается, и после многих переносов наблюдается
существенное перемешивание зарядовых пакетов. В обычных
режимах работы ПЗС, т. е. когда во всех потенциальных ямах
и даже в тех, в которых отсутствует сигнальный заряд, содер-
жится некоторый заряд (так называемый фоновый заряд), вели-
чина заряда, отставшего от пакета, аппроксимируется в первом
приближении частью сигнального заряда, не зависящей от его
величины.
Первоначально эффективность переноса т] вводилась для
одного переноса [16, 17]. Эта величина ц была определена как
часть первоначального зарядового пакета, которая переносится
без искажений. К сожалению, термин «эффективность пере-
носа» также использовался и для описания качества работы
всего прибора в целом, когда этим термином обозначается часть
заряда fj, появляющаяся на выходе в соответствующий времен-
ной интервал после инжекции единичного зарядового пакета
в ПЗС. Как мы увидим в дальнейшем, гораздо удобнее для
точного анализа использовать параметр s = 1 — т], называемый
неэффективностью переноса [122], или коэффициентом непол-
ноты переноса [130], которому соответствует часть заряда, от-
стающая от пакета за один перенос. Если умножить этот пара-
метр на число переносов в приборе, получим такую важную
характеристику ПЗС, как результирующая неэффективность
переноса пъ, которая, как мы увидим ниже, описывает качество
переноса заряда в приборе в целом. Это произведение возра-
стает линейно с числом переносов, если 8 — константа, не зави-
сящая от величины сигнального заряда.
На фиг. 4.4 представлены результаты проведенного с по-
мощью ЭВМ моделирования процесса расплывания одиночного
зарядового пакета в цепочку зарядовых пакетов для различных
значений произведения ns. Левая граница каждой рамки пред-
ставляет начальное положение, в котором следует ожидать
зарядовый пакет при идеальном переносе. Заряд, отстающий
от пакета вследствие неэффективности переноса, появляется
на выходе в следующие моменты времени, расположенные
в рамках справа. Таким образом величина результирующей
84
Глава 4
неэффективности переноса заряда для данного прибора может
быть определена экспериментально в результате сравнения це-
почки импульсов на выходе с этой моделью. Величину 8 можно
тогда найти с помощью простого деления. Даже очень большая
величина результирующей неэффективности, которой соответ-
ствует форма огибающей цепочки импульсов на выходе, при-
ближающаяся к весьма широкому гауссовскому распределению,
может быть определена с довольно хорошей точностью. Дело
100% 78°/о 617°	37% Эффективность переноса уединенного пакета 7
Фиг. 4.4. Появление сигналов на выходе после инжекции уединенного заря-
дового пакета и переноса его через ППЗ для нескольких различных значений
результирующей неэффективности переноса (линейная модель).
в том, что, как мы увидим ниже, максимум этой огибающей
имеет дополнительный сдвиг на П8 интервалов вправо от того
положения, где его следует ожидать в идеальном случае. Связь
между полной эффективностью переноса fj и величиной П8
иллюстрируется фиг. 4.4. Для ne 1 неадекватность параметра
fj становится очевидной, так как основное количество заряда
приходит тогда не в начальном положении.
Если ПЗС работает в таком режиме, что нулевому сигналу
соответствует пустая потенциальная яма, первые пакеты заряда
в цепочке испытывают дополнительные потери. Дело в том, что
заряд, необходимый для заполнения поверхностных состояний
или объемных ловушек, которые успели опустошиться со вре-
мени переноса через прибор предыдущего заряда, захватывается
из первого пакета. Если первый зарядовый пакет не содержит
достаточного количества заряда, необходимый остаток будет
взят из следующих пакетов. В работающих приборах неидеаль-
ность переноса может быть довольно хорошо описана с по-
мощью комбинации параметра 8, описывающего потери, про-
порциональные сигналу, и параметра 6, описывающего потери,
Физические ограничения.
85
г
HI Inn III Illi Illi lllll!
tOO	400	1600
Число переносов
Фиг. 4.5. Расчет влияния неэффективности переноса е и постоянных потерь
заряда 6 на сигнал от группы из 10 единиц после 100, 400 и 1600 переносов.
а — е=10~3, 6 = 0; б —е=0, 6=2-10~3; в—е=10“3, 6=2-10~3; г — е=10-3, 6=2 • 10~3,
фоновый заряд составляет 10%.
которые растут с увеличением числа предшествующих пустых
пакетов и не зависят от величины самого заряда.
Влияние 8 и б на группу из 10 зарядовых пакетов иллюстри-
руется фиг. 4.5, а и б для трех различных чисел переносов соот-
ветственно. В то время, как из-за потерь, пропорциональных
сигналу, происходит симметричная деградация переднего и зад-
него краев цепочки пакетов, потери, не зависящие от сигнала,
86
Глава 4
влияют только на передний край. Совместное влияние потерь
обоих типов ведет к асимметричной деградации цепочки пакетов
(фиг. 4.5, в) для 8 = 10~3 и 6=2*10-3. Эти рисунки не изме-
няются при увеличении и, если 8 и 6 соответственно умень-
шаются. Таким образом, качество всего прибора можно адек-
ватно описать умножением этих обеих величин на полное число
переносов, что приводит к результирующей неэффективности
переноса /18 и постоянным потерям заряда п8.
На фиг. 4.5,г показано, что постоянные потери заряда п8
могут быть существенно уменьшены за счет использования фо-
нового заряда, который также называется поддерживающим
зарядом или непустым нулем [147]. Тогда остается только ком-
понента неэффективности переноса, пропорциональная сигналу,
и цепочка пакетов снова деградирует симметрично. Случай по-
терь, пропорциональных сигналу, наиболее важен для многих
практических применений ПЗС.
2.2.	КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ
НЕЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕНОСА
Ниже выведено несколько формул, которые позволяют опи-
сывать влияние неэффективности переноса на параметры всего
регистра переноса. В работах [30, 122—125] приведен ряд выво-
дов этих формул. Мы будем придерживаться метода, который
наиболее удобен для анализа рабочих характеристик ПЗС. Так
как в ПЗС сигнальный заряд содержится в конечном числе
дискретных пакетов, то наилучшим способом описания поведе-
ния сигнала является ^-преобразование, которое представляет
собой вариант преобразования Лапласа, специально разработан-
ный для исследования сигналов, следующих через равные про-
межутки времени [126]. Мы предположим, что неэффективность
одного переноса 8 является постоянной, поэтому отклик ячейки
переноса на один пакет заряда представляет собой последова-
тельность
{0, (1 — ё), (1 — ё) 8, (1 — ё) ё2, (1 —- ё) ё3, . ..},
где каждый член соответствует величине заряда, выходящего
из ячейки в моменты, соответствующие последующим тактовым
импульсам. Первый нуль представляет задержку на единицу
времени, связанную с переносом заряда через ячейку. Величина
i — неэффективность переноса через всю ячейку переноса, так
что g= где р — число фаз. ^-Преобразование [126] одного
полного переноса Е(г) может быть записано в виде
F (z) = (1 — ё) + (1 —- ё) ё2~2 + (1 — ё) ё2г-3 + ..., (4.7)
Физические ограничения
87
где г-1 представляет собой нормированную задержку идеального
переноса. Это выражение можно записать в виде
F(z) = 2--	.	(4.8)
Для ПЗС с N полными переносами через ячейку произведе-
ние N выражений (4.8) позволяет получить ^-преобразование
характеризующее перенос в приборе в целом:
^Мт^-'Г=
— [2^ехр?;[1п(1 -ё)-1п(1 -82-1)]].	(4.9)
Для большинства практических случаев, когда ё<С 1, это выра-
жение можно аппроксимировать следующим
FN (z) = z~N exp N& (г"1 - 1).	(4.10)
Множитель z~N соответствует ожидаемой задержке на N такто-
вых периодов, но при анализе деградации сигнала эту задержку
обычно не принимают во внимание. Экспоненциальный сомно-
житель в правой части выражения (4.10)
ехр (Мёг”1) exp (—jV§) = ехр (—Мё) z~k^W~ (4.11)
представляет собой отклик прибора на прохождение через него
пакета заряда, обусловленный влиянием неэффективности пере-
носа. Таким образом, инжекция единичного зарядового пакета
через вход прибора приводит к распределению Пуассона ампли-
туд пакетов заряда с центром тяжести, сдвинутым дополни-
тельно на N& тактовых периодов (фиг. 4.4). Этот факт еще раз
подчеркивает важность результирующей неэффективности пере-
носа Мё. Соответственно средняя групповая скорость пакета
в ППЗ равна произведению коэффициента (1—ё) на скорость
пакета в идеальном приборе [122].
Для определения влияния конечного значения ё на синусои-
дальные колебания частоты f ^-преобразование наиболее удобно
трансформировать в преобразование Лапласа заменой
2-1 = exp (— 2niflfc),	(4.12)
где fc = Г-1— рабочая тактовая частота [126]. В соответствии
с выражением (4.11) преобразование Лапласа L имеет вид
L = exp [Me exp (— 2nif/fc)] exp (— A/e) =
— exp [We (cos (2n,f/fc) — i sin (2nf/fc) — 1)].	(4.13)
88
Глава 4
При выводе этой формулы ПЗС был подразделен не на от-
дельные электроды переноса, а на N ячеек переноса, в каждой
из которых содержится один зарядовый пакет, и соответственно
величина ё представляла неэффективность полного переноса
ОЛМГ&иение частоты входных сигналов к тактовой
частоте fc
Фиг. 4.6. Затухание амплитуды передаточной функции ППЗ для различных
значений результирующей неэффективности переноса пъ (линейная модель).
через ячейку. Но в тех выражениях, где величина ё входит
в виде произведения Л/ё, ее можно легко заменить результи-
рующей неэффективностью переноса пв, где е означает потери
на отдельном переносе. Такая замена желательна в тех случаях,
когда величина е рассчитывается теоретически, исходя из гео-
метрии электродов и физики основных процессов.
Из выражения (4.13) легко получить выражение, описываю-
щее уменьшение амплитуды сигнала (фиг. 4.6):
|^.| = exp[-/ie(l-cos(2nfOL (4-14)
I I
Физические ограничения
89
Дополнительная фазовая задержка по отношению к случаю
идеального переноса равна
Aqp = пг sin (2nf/fc).	(4.15)
Также легко рассчитать эквивалентную ширину полосы прибора:
У2
В = J | pf = 4 /о (2пе) ехр (- 2пе),	(4.16)
о вх
где 1о(х) —модифицированная функция Бесселя [127]
'•«-Шт-
k=o
Формулы, выведенные в этом разделе, применимы в боль-
шинстве случаев, и с их помощью можно быстро оценить
величину деградации сигнала, связанную с неэффективностью
переноса.
2.3.	ОБЩИЙ МЕТОД ВЫЧИСЛЕНИЯ
НЕЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕНОСА
Во всех приложениях величины 8 и 6 желательно иметь
минимальными, так как в этом случае можно уменьшить иска-
жения сигнала в аналоговых устройствах и увеличить число
элементов между устройствами, регенерирующими заряд в циф-
ровой памяти. Для достижения этой цели необходимо ясно
представлять себе механизм переноса заряда и причины неэф-
фективности переноса. Этим вопросам посвящены данный и два
последующих раздела.
Для оценки вкладов в неэффективность переноса различных
источников потерь воспользуемся общим методом анализа про-
цесса переноса заряда, предложенным в работах [65] и [67].
В основу этого метода положено «приближение большого за-
ряда», и с его помощью выведены три слагаемых общего вида,
которые можно использовать при определении неэффективности
переноса практически во всех типах ПЗС. Эти слагаемые опре-
деляются: 1) скоростью самого переноса, обусловленной меха-
низмом переноса свободного заряда; 2) проводимостью стока
или вкладом обратной связи и 3) модуляцией емкости истока.
Кроме того, в этой модели несложно учесть и влияние поверх-
ностных состояний. Все эти слагаемые в последующих разделах
выведены снова, но уже менее формальными способами и
с большим вниманием к физике протекающих при этом про-
цессов.
90
Глава 4
При наиболее общем анализе ячейка переноса ПЗС может
быть представлена в виде эффективной емкости истока Cs, свя-
занной с некоторой эффективной емкостью стока CD через неко-
торое зависящее от напряжения сопротивление (фиг. 4.7, а) .
а
Фиг. 4.7. «Приближение большого заряда» для процесса переноса заряда [65]
(а) и канал переноса заряда в МОП-транзисторе [67] (б).
Мгновенные значения напряжений истока и стока обозначим
через Vs и VD, а тактовое напряжение — через Vc. Заряд Qs,
который во время процесса переноса заряда остается в емкости
истока, определяется выражением
Vs
Qs = $ Cs(V)dV,
vS0
(4.17)
гДе Vso — напряжение истока, соответствующее отсутствию в нем
переносимого заряда. Если начальная величина переносимого
Физические ограничения
91
заряда равна Qo, то заряд, перенесенный в сток, составляет
Vd
Qo — Qs = J CD(V)dV.	(4.18)
vD0
Из фиг. 4.7, а следует, что
dQ
-^ = -I(Vs, VD, Vc).	(4.19)
Неэффективность переноса e, также называемая параметром
неполноты переноса а [65, 67], зависит от времени и опреде-
ляется выражением
dQQ(t)
<4-2о>
(4.21)
Дифференцируя уравнение (4.20) и используя выражение (4.19),
можно получить дифференциальное уравнение для в:
de di dVs di dVD
W^~’dV^'dQ^^~dV^ ~dQ^’
где dl/dVs — мгновенная проводимость истока или сквозная
проводимость gm, a dIldVD — мгновенная проводимость стока
или проводимость обратной связи переноса gr. Из выражений
- (4.17) и (4.20) можно получить
dV- г 1	? dCS
CS CS d®Q
vS0
___s
dQQ
(4.22)
а из выражения (4.18)
dVD____L
^0
(4.22) и (4.23) в уравнение (4.21) при-
(4.23)
Подстановка выражений
водит к линейному дифференциальному уравнению относи-
тельно е:
vs
dt gm CD J
Kso
Решение этого уравнения можно представить в виде слагаемых:
(4.24)
8 = 8f 4- &D + &с.
(4.25)
Первое слагаемое 8* есть решение однородного уравнения и
определяет ограничение прибора, связанное непосредственно
с переносом:
8/ = ехр
о Cs
(4.26)
92
Глава 4
Оно экспоненциально зависит от времени и становится домини-
рующим на высоких частотах.
Второе слагаемое 8р есть частное решение уравнения (4.24)
и представляет собой ограничение, обусловленное проводи-
мостью стока или влиянием обратной связи на процесс пере-
носа. Это — усредненная по времени переноса величина
grCslgmCD, которая зависит от формы импульса, особенно в кон-
це периода переноса. Для тактовых импульсов прямоугольной
формы выражение для 8р можно записать в следующем виде:
8D	Г—r1 (при выключении).	(4.27)
Третье слагаемое 8С представляет собой неэффективность
переноса, возникающую из-за модуляции емкости истока Cs при
изменении на нем напряжения. Упрощенное4 выражение для
8с имеет вид
z 1 dCQ
(4.28)
Влияние поверхностных состояний может быть учтено с по-
мощью этого же метода ([65, 67]), если ввести напряжение Vss,
создаваемое захваченным зарядом Qss на эффективной емкости
Css (эта емкость связана с теми же поверхностными состоя-
ниями). В этом случае можно получить добавки к неэффектив-
ности переноса, аналогичные слагаемым, возникающим из-за
самого переноса и модуляции емкости истока. Эти слагаемые
связаны с изменением заполнения ловушек в зависимости от
времени и величины присутствующего заряда и изменением
емкости ловушек в зависимости от величины заряда.
2.4.	ВЛИЯНИЕ ПЕРЕНОСА ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА
НА НЕЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕНОСА
В этом разделе мы обсудим физические явления, лежащие
в основе переноса заряда под влиянием тепловой диффузии,
самоиндуцированного дрейфа и продольных тянущих электри-
ческих полей. В основу рассмотрения будет положена модель
потенциальной ямы в ППЗ. На основании анализа физических
процессов оценим их влияние на неэффективность переноса.
Режим полного переноса заряда
Большинство приборов с зарядовой связью обычно рабо-
тает в режиме полного переноса заряда, при котором в каж-
дом переносе практически весь заряд неосновных носителей
перемещается из одной потенциальной ямы в другую. Перенос
Физические ограничения
93
заряда вызывается изменением напряжений, приложенных к
электродам. В идеализированной модми полагается, что заря-
довый пакет стекает со ступеньки потенциала (фиг. 4.8,а).
Тепловая диффузия. Для малых величин сигнального за-
ряда перенос определяется тепловой диффузией. Взяв в ка-
Р1	Р2	РЗ
Фиг. 4.8. Вид профиля потенциала, используемый для оценки процесса пере-
носа заряда под влиянием тепловой диффузии (а), и вид профиля потен-
циала с продольными тянущими полями Еу (б).
честве начального условия однородную поверхностную плот-
ность носителей п0 и используя фурье-анализ, можно показать
[128], что зарядовый пакет.в асимптотике больших времен при-
ближается к косинусоидальному распределению
п (у, 0 =	c°s ехР [“	’	И-29)
и экспоненциально уменьшается с постоянной времени
равной
=	(4.30)
94
Глава 4
где D — коэффициент диффузии носителей и L — длина элек-
трода, из-под которого стекает заряд.
Самоиндуцированный дрейф. Для достаточно больших за-
рядовых пакетов перенос определяется самоиндуцированным
дрейфом, вызванным электростатическим отталкиванием носи-
телей. Величину самоиндуцированного продольного электриче-
ского поля Eys можно оценить из градиента поверхностного
потенциала ф8 [12], который по предположению линейно зависит
от поверхностной плотности носителей ns:
=	(4.31)
Таким образом, это поле приводит к «диффузионному» току
с коэффициентом диффузии, зависящим от поверхностной плот-
ности носителей 0 [129]. Для промежутков времени, в течение ко-
торых общая форма распределения носителей остается постоян-
ной, т. е. п(у, t) = h(y)g(t), уменьшение начального зарядо-
вого пакета Qo может быть описано асимптотически ([129, 91,
130]) выражением
Q (О t0
Qo	t + io
при
. __ л±3ГС0Х _ л L2
°- 2jxQ0 “ 2 ц(71-70) ’
где L и W — длина и ширина электрода, Сох — удельная емкость
слоя окисла, ц — подвижность носителей, a Vi — Vo =
= Qo/LWCox — напряжение, которое в начальный момент вре-
мени заряд сигнала создает на емкости диэлектрика.
Уменьшение заряда происходит тем быстрее, чем больше
начальная плотность заряда Qo/LW, и в отсутствие тянущих
полей продолжается вплоть до времен порядка диффузионного
времени т^. Плотность оставшегося заряда Q(t^) практически
не зависит от величины начального зарядового пакета [128].
С градиентом этой плотности связано такое изменение поверх-
!) Выражение (4.31) справедливо, если толщина слоя диэлектрика суще-
ственно меньше толщины обедненного слоя. Последняя в свою очередь дол-
жна быть гораздо меньше характерной длины, на которой происходит изме-
нение плотности поверхностного заряда, т. е. длины электрода. Здесь следует
также отметить, что к появлению дополнительного поля той же природы при-
ведет и неоднородность плотности заряда, связанного на ловушках. По-
скольку плотность заряда, захваченного на ловушки, можно связать с плот-
ностью заряда свободных носителей, то оказывается, что поле ловушек также
приводит к «диффузионному» теку, в котором вместо коэффициента диф-
фузии стоит величина порядка D(e2Nss/Cox), где Nss — плотность поверхност-
ных состояний на электронвольт. Однако в кремниевых ПЗС, в которых
Nss » 109 — 1010 эВ-1 • см~2, а Сох ~ 10~8 Ф/см2, эта составляющая полного
тока всегда мала. — Прим, перев.
Физические ограничении
95
постного потенциала, что между концами электрода возникает
разность потенциалов, равная kTIq. Таким образом,
Q(t(4) = 4^,	(4.34)
ч
где kTIq = 26 мВ при комнатной температуре. Для МОП-кон-
денсатора с толщиной слоя двуокиси кремния 100 нм такое на-
пряжение сигнала соответствует плотности электронов порядка
1010 см~2. При такой плотности носителей самоиндуцированные
поля оказываются по величине одного порядка с тепловыми
полями, и в конце процесс переноса заряда определяется тепло-
вой диффузией.
Метод заряда. В этом разделе мы рассмотрим так назы-
ваемый метод заряда [131, 132]. С помощью этого метода ана-
лиз переноса заряда в ПЗС сводится к замкнутой системе
уравнений, результаты которого хорошо согласуются с числен-
ными решениями. Этот метод включает в рассмотрение тепло-
вую диффузию, индуцированный градиентом заряда дрейф и
внешние тянущие поля. Несколько упрощенная модификация
этого метода описана в работе [67]. Мы положим ее в основу
нашего обсуждения.
На фиг. 4.7, б показана ситуация, возникающая при пере-
- носе заряда в канале МОП-транзистора. Следуя работе [22],
плотность заряда неосновных носителей Qp(y) в канале будем
определять выражением
QP(y) = C{V(y),	(4.35)
где Ci — удельная емкость параллельно включенных емкости
слоя окисла и емкости слоя пространственного заряда в крем-
нии, a V(y)—поверхностный потенциал кремния, отсчитывае-
мый от значения поверхностного потенциала в отсутствие не-
основных носителей. Плотность поверхностного потока в канале
/ равна
j — дцрЕу — qD-^ ,	(4.36)
где ц и D соответственно подвижность и коэффициент диффузии
носителей, связанные соотношением Эйнштейна qD =
р — поверхностная плотность носителей; Еу — электрическое
поле, параллельное поверхности и равное
Следовательно, ток /, текущий от истока к стоку, опреде-
ляется выражением
+	<4.38)
96
Глава 4
где IF —ширина канала. Граничное условие мы получим из
соображения, что поверхностный потенциал на «стоковой»
стороне канала существенно отрицателен, т. е. прибор работает
Фиг. 4.9а. Доля заряда, остающегося в разряжающейся потенциальной яме,
в зависимости от времени, нормированного на время пролета носителей
(^r=L2/HnV) [131].
----численное решение [135];
---решение методом заряда. Условия: потери заряда -> оо) и тянущие поля
отсутствуют; ф (x) = cos (jix/2L).
в режиме насыщения. Разность потенциалов «истока» и «стока»
канала равна Fa. Тогда ток в канале равен
/ =	+	(4.39)
z L	Ч J
где Р/г = W[iCi/Ltr — удельная крутизна, Ltr— эффективная
длина канала. Это выражение для тока МОП-транзистора от-
Физические ограничения
97
личается от обычного выражения только тем, что в него до-
бавлен диффузионный ток.
Таким же простым оказывается вычисление полного заряда
в канале:
2 V, + 3/26T
Отсюда можно определить эффективную емкость электрода
CG, которая при изменении VA от нуля до величины много
большей, чем kTlq^ изменяется от !/2 до 2/з геометрической
емкости и равна 21зС{Цг№ в большой области значений VA.
Следовательно, для ПЗС, показанного на фиг. 4.8, а, урав-
нение (4.39) все еще применимо и можно написать
dV^= F —
dt	dt	2
(4.40)
(4.41)
где ^st = W[iCi/Lst, a Lst — эффективная длина электрода, под
которым происходит накопление заряда в ячейке ПЗС. Если
начальное напряжение в точке А в начале переноса было То,
а в момент времени t равнялось Уа(0> т0 из уравнения (4.41)
находим
Vo
ехР (~ Pstfe7’/(?co0
(4.42)
1 + -2£гП-ехр(-
Для этих процессов окончательный вид аналитических при-
ближений [91, 130—134, 67] и результаты вычислений на ЭВМ
[12, 128, 129, 135, 136] хорошо согласуются друг с другом
(фиг. 4.9а).
Краевые поля. В реальных приборах заряд стекает не с
идеальной прямоугольной ступеньки. Краевые поля от приле-
гающих электродов смазывают профиль потенциала и вызы-
вают электрические поля с продольной компонентой Еу
(фиг. 4.8,6). Присутствие этих тянущих полей ускоряет перенос
остатка заряда (фиг. 4.96), что оказывается весьма существен-
ным для применений ПЗС в диапазоне высоких частот. Важ-
ным параметром в этом случае является время пролета носи-
теля ttr под электродом, равное L
L
t = 1 С dy
tr	Ц J Еу(у) ’
о
Из результатов, полученных на ЭВМ для трехфазных ПЗС с
поверхностным каналом и различной геометрией электродов
[137], вытекает, что функция \!Еу(у) растет почти линейно от
(4.43)
4 Зак. 816
98
Глава 4
краев к середине центрального электрода переноса и значение
среднего тянущего поля почти вдвое превосходит минимальное
Фиг. 4.96. Влияние тянущего поля Еу на долю заряда, остающегося в разря-
жающейся потенциальной яме, в зависимости от времени, нормированного
на время пролета, для окончательного вида решения методом заряда и чис-
ленных решений [131].
----численное решение [136];
--- решение методом заряда. Условия: ^ср/^эфф = 1° Тд=оо и £ = 5 • 10“4 см.
(4.44)
значение в центре. Поэтому время пролета носителя можно
аппроксимировать выражением
I __
tr 2ц£“ий '
Дальнейшее изучение этого вопроса, проведенное с помощью
ЭВМ, показало, что для подложек с различным сопротивлением
Физические ограничения
99
минимальное тянущее поле можно аппроксимировать [137] вы-
ражением
рМИН к ^ОХ Г	"|4
Еу = 6,5 —Т[^ + 1 J ,	(4.45)
где Еу™— минимальное тянущее поле под центральным элек-
тродом трехфазной ячейки (фиг. 4.8,6), поддерживаемым при
потенциале, равном половине разности потенциалов на двух
соседних электродах; V — разность потенциалов между элек-
тродами, прилегающими к центральному электроду; L — длина
электрода; dox и Xd — соответственно толщина слоя окисла под
электродом переноса и толщина области обеднения под цент-
ром электрода. Однако не весь заряд переносится за время
пролета tir из-за торможения самоиндуцированным полем за-
рядового пакета. По истечении времени, равного приблизи-
тельно времени пролета, под электродом устанавливается не-
который профиль заряда, и после этого плотность носителей
спадает экспоненциально с конечной постоянной времени ту,
равной примерно ^г/3 [129, 138]. Аналитическое выражение,
учитывающее влияние тепловой диффузии и однородного тя-
нущего поля Еу, дает следующее выражение для постоянной,
характеризующей заключительный этап стекания заряда:
1	2 n2D о Е2
—	+	(4.46)
где С\ — параметр, изменяющийся от 1 до 2 при изменении
нормированного тянущего поля от нуля до бесконечности [138].
На фиг. 4.10, а приведены экспериментально измеренные
зависимости неэффективности переноса от тактовой частоты,
полученные при работе двухфазного ПЗС с поверхностным ка-
налом в режиме полного переноса [48]. На фиг. 4.11, а и б
представлены данные для трехфазного ПЗС с поверхностным
каналом [43] и двухфазного ПЗС с поверхностным каналом,
изготовленного по методу сдвинутой маски [139]. Как и следо-
вало ожидать из предшествующего обсуждения, неэффектив-
ность переноса резко возрастает, когда время, отведенное на
перенос заряда, уменьшается до величины порядка времени
стекания заряда. Во всех случаях этот экспериментально на-
блюдаемый частотный предел хорошо согласуется с вычислен-
ным (при учете геометрии электродов и степени легирования
подложки).
Поскольку роль тянущих полей велика, предпочтительнее
выбирать время спада импульсов переноса не слишком ма-
лым. Наиболее сильные тянущие поля возникают в том случае,
когда потенциал данного электрода равен примерно половине
4*
100
Глава 4
Фиг. 4.10. Экспериментальные зависимости неэффективности переноса е от
тактовой частоты получены на двухфазном ПЗС с поверхностным каналом,
работающем в режиме полного переноса заряда (а) и в режиме неполного
переноса заряда (б) [48].
разности потенциалов между прилегающими к нему электрода-
ми. Кроме того, когда фронты импульсов становятся слишком
крутыми и потенциальная яма истока уменьшается слишком
быстро, носители могут не успевать перетекать вдоль поверхно-
сти и поэтому будут инжектироваться в подложку, где они
рекомбинируют с основными носителями [16, 17, 140].
Частота переключения одного элемента, МГц
Тактовая частота* МГц
Фиг. 4.11. Экспериментальная зависимость неэффективности переноса для
трехфазного ПЗС с поверхностным каналом и с трехслойными поликремние-
выми электродами длиной 10 мкм от частоты переключения одного элемента
[43] (а), и для двухфазного ПЗС с длиной ячейки 30 мкм, выполненного
по методу сдвинутой маски [139] (б).
—О— Для переднего фронта импульса: -ф- для заднего фронта импульса.
102
Глава 4
ПЗС с объемным каналом. Сильные тянущие поля, возника-
ющие в ПЗС с объемным каналом, обеспечивают хорошее каче-
ство их работы при более высоких частотах. Дополнительный
обедненный слой кремния между сигнальным зарядом и по-
верхностью раздела кремний — двуокись кремния увеличивает
Фиг. 4.12. Зависимость нормированного продольного тянущего поля Еу в ПЗС
с объемным каналом от нормированного эквивалентного расстояния X (ме-
таллического электрода) для трех различных положений У под электродом
переноса [142].
эффективную толщину слоя диэлектрика и, следовательно,
уменьшает время пролета носителя под электродом.
Тянущие поля в ПЗС с объемным каналом были проанали-
зированы для двухфазного [141], трехфазного [85] и четырех-
фазного [142] ПЗС в приближении обедненного слоя [143], что
дало возможность линеаризовать уравнения, которые затем
можно было решить точно с помощью разложения в ряды
Фурье. Эти вычисления показали, что наименьшие продольные
поля оказываются под серединой электродов, как и в ПЗС с
поверхностным каналом. Минимальное значение этой компонен-
ты поля сильно зависит от толщины слоя кремния (фиг. 4.12)
и обычно достигает максимального значения на глубине
X = 0,4£, если полная ширина обедненного слоя Xd больше,
нем длина электрода L. Глубина отсчитывается от границы
Физические ограничения
103
раздела металл — диэлектрик, а толщина слоя окисла dox за-
меняется эквивалентной толщиной, равной (esi/eox)dox. Если
полная глубина обедненного слоя Xd больше или равна 2L,
максимальное тянущее поле под серединой электрода равно
£маКс, мин = Oj4Lj у = 0>5L) = 0 5 V_ для Xd 2L, (4 47)
где V — разность потенциалов между прилегающими электро-
дами (фиг. 4.7,6). Величину £^aKCi мин можно также исполь-
зовать в выражении (4.44) для приближенного вычисления
времени пролета носителей и, таким образом, для оценки мак-
симальной рабочей частоты.
Было показано, что высокочастотные ПЗС с глубоким
каналом, описанные в разд. 1.2 и имеющие однородно легиро-
ванный эпитаксиальный слой толщиной 4,5 мкм, работали при
частотах до 135 МГц с неэффективностью переноса 8 ~ 5 • 10~5
при амплитуде тактового напряжения 10 В без фонового за-
ряда [80].
Эта способность работать при высоких частотах сохраняется
также, если приборы имеют дополнительный верхний я+-слой,
т. е. являются профилированными ПЗС с объемным каналом,
обладающими повышенной управляющей способностью. Про-
филированные приборы, описанные в разд. 1.2, также работали
на частоте 135 МГц с е = 2 • 10-4 в режиме без фонового заря-
да и с е = 10~4 в режиме с 1% фонового заряда. Согласно по-
лученным выше оценкам времени пролета, оба эти прибора
могут работать вплоть до 1 ГГц. Однако до сих пор не преодо-
лены трудности, возникающие при управлении работой прибо-
ра на этих частотах и ее оценке.
Рассмотренные выше процессы переноса свободного заряда
приводят лишь к пренебрежимо малой неэффективности пере-
носа (е < Ю~5), если на перенос отводится достаточно времени.
При этом одна часть заряда, отстающего от сигнального па-
кета, будет составлять постоянные потери б, если зарядовый
пакет переносится без фонового заряда, а другая часть отста-
ющего заряда, зависящая от величины сигнального заряда,
представляет собой результирующую неэффективность. Разли-
чие в величине заряда, отстающего от сигнального пакета, воз-
никает по двум причинам: во-первых, из-за разных начальных
условий для зарядовых пакетов разного размера и, во-вторых,
из-за изменения тянущих полей в зависимости от величины
переносимого заряда. Однако все временные постоянные
уменьшаются с увеличением подвижности и обратно пропорци-
ональны квадрату длины электрода. В присутствии тянущих
полей временные постоянные, характеризующие заключитель-
ную стадию переноса, также уменьшаются с увеличением
104
Глава 4
разности потенциалов между электродами. Соответствующим
подбором этих факторов потери, обусловленные конечной ско-
ростью перетекания свободного заряда, всегда могут быть
сделаны малыми по сравнению с потерями, вызванными дру-
гими источниками неэффективности переноса. Обычно в п-ка-
нальном ПЗС с поверхностным каналом с электродами длиной
10 мкм потери, связанные с перетеканием свободных носителей,
становятся значительными (е > 10~5) при частотах ~ 5 МГц.
В ПЗС с объемным каналом аналогичной геометрии этот ча-
стотный предел существенно выше.
Режим неполного переноса заряда
Перенос сигнального заряда. В трехфазном ПЗС скорость
переноса свободного заряда обычно ограничивается потоком
носителей из-под передающего электрода, т. е. из истока. Однако
в пожарных цепочках и двухфазных ПЗС на некоторых стадиях
переноса скорость ограничивается током, протекающим через ка-
нал МОП-транзистора (фиг. 4.13, а) или барьер (фиг. 4.13, б и в).
Для того чтобы оценить ограничения, налагаемые этими про-
цессами, воспользуемся методом, предложенным в работах
[66, 67] и уже рассмотренным в предыдущем разделе для слу-
чая полного переноса заряда.
Из выражения (4.39) можно вывести уравнение для мгно-
венного напряжения V& эффективного истока, которое в обоз-
начениях, принятых выше, имеет вид
Гл	1
X = J+(W/2C0O) ’	(4,48)
где Cgd — емкость накапливающего диода. Часть сигнального
заряда Qr, которая все еще остается в истоке спустя половину
тактового периода (V2 fc) после начала процесса перетекания
заряда, равна
(4«)
\ 4lcCGD/
где Qo — начальный заряд [66]. Так как Qr зависит от сигнала
Qo, то заряд, перенесенный за время V2 fc, будет определять не-
эффективность переноса. Уравнение (4.49) можно аппроксими-
ровать первыми двумя членами биномиального разложения [66]:
п __ 4fcCGD	^f2cCGD	п	д? Г2	, - .
Qr р p2Qo	PQq	Д' c^gd'	(4.50)
Так как Qr особенно сильно зависит от Qo для малых зарядо-
вых пакетов, эффективность переноса можно существенно по-
Физические ограничения
105
Фиг. 413. Схема процесса переноса в двухфазных ПЗС.
а —в пожарной цепочке; б —в двухфазном ПЗС, работающем в режиме неполного переноса
заряда; в —в двухфазном ПЗС, работающем в режиме полного переноса заряда.
высить, используя фоновый заряд. Неэффективность переноса
сигнального заряда 8^ в этом случае будет равна
_ dQr _	16^C4gd
7 dQs ₽2 (Qs + Qi) Qi ’
(4.51)
где Qs — сигнальный заряд, a Q& — фоновый заряд. Следует от-
метить, что &i зависит от Qs и Q&, поэтому выражения, выведен-
ные в разд. 2.2, в которых величина е полагалась постоянной,
106
Глава 4
являются приближенными. Неэффективность переноса умень-
шается с увеличением фонового заряда и имеет минимальное
предельное значение для идеального случая, когда Qs = 0, а
Qb достигает уровня насыщения. Приведенные выше формулы
справедливы для случая больших токов и становятся неточны-
ми, если ток переноса ограничивается тепловой генерацией но-
сителей в канале.
Форма импульсов и эффективность переноса. Форма импуль-
сов напряжения, прикладываемых к электродам пожарных цепо-
чек или двухфазного ПЗС, сильно влияет на эффективность
переноса [66, 144, 116]. Например, в пожарных цепочках импуль-
сы тактового питания через емкость исток — электрод будут
влиять на потенциал истока, а следовательно, и на заряд QH,
остающийся в истоке при данном поверхностном потенциале ка-
нала. При использовании импульсов трапецеидальной формы
с нарастающей крутизной фронта ток, вытекающий из истока,
поддерживается достаточно большим, и неэффективность пере-
носа 8г- сигнального заряда можно тогда уменьшить почти на
два порядка по сравнению с неэффективностью 8; для импуль-
сов прямоугольной формы [66].
Влияние проводимости стока. Поскольку 8г- уменьшается с
уменьшением тактовой частоты, то в этом случае все более
важным оказывается влияние так называемой динамической
проводимости стока. В пожарных цепочках этот эффект обус-
ловливается изменением области обеднения стока, которое мо-
дулирует длину канала в соответствии с количеством заряда,
перенесенного в сток. В двухфазных ПЗС (фиг. 3.4, а) с непол-
ным переносом заряда или в приборах C4D (фиг. 3.4,6) подоб-
ный эффект возникает из-за модуляции высоты или ширины
потенциального барьера, полученного с помощью локальной
имплантации примеси. Эта модуляция связана с изменением
тянущих полей в присутствии сигнального заряда. Слагаемое
[выражение (4.27)] в неэффективности переноса, возникающее
в пожарных цепочках благодаря этой обратной связи для слу-
чая Cs = CD, можно записать в виде


1	( 2/о	А7’
4im ’
(4.52)
где gm и gr — сквозная проводимость электрода и динамическая
проводимость стока на конечной стадии переноса соответствен-
но; /о—ток стока МОП-транзистора; | VD\—обратное смеще-
ние диода стока; xd — ширина области обеднения в конце цик-
ла переноса [66]. Динамическую проводимость стока gr можно
уменьшить, используя тетродное устройство (фиг. 3.5, а) или
ступеньку потенциала в канале МОП-транзистора (фиг. 3.5,6)
Физические ограничения
107
для экранирования истока от влияния модуляции длины кана-
ла вблизи стока.
Более подробные методы анализа работы пожарных цепо-
чек, использующие технику численного расчета, предложены в
работах [145, 146].
Пожарные цепочки на канальных транзисторах. Анализ ра-
боты пожарных цепочек на канальных транзисторах можно
провести тем же методом, подставляя в выражение (4. 39) со-
ответствующие характеристики перехода полевого транзистора
[22]. Выражение для тока канала будет иметь вид
V /
г _____ ch р~> I
Ltrp 2 I
V \2
_os ]
VPoJ
(4.53)
где dch — толщина эпитаксиального канала; р — его удельное
сопротивление; a Vpo — напряжение отсечки. Подставляя соот-
ветствующие типичные параметры канального транзистора
[28] dch = 0,5 мкм; р = 0,2 Ом-см и Vpo = 10 В, получаем
IDS (канальный транзистор)	3,5 Ids (п-моп-транзистор)* (4.54)
Следовательно, можно ожидать, что канальный транзистор бу-
дет работать в 3,5 раза быстрее, чем соответствующая n-ка-
нальная пожарная цепочка. Кроме того, низкое удельное со-
противление эпитаксиального слоя уменьшает влияние динами-
ческой проводимости стока без существенного увеличения
емкости сток — подложка.
Влияние тепловой генерации. При достаточно низких такто-
вых частотах конечная стадия процесса неполного переноса за-
ряда определяется тепловой генерацией носителей в канал или
через барьер. Потенциал истока падает ниже потенциала кана-
ла и разрядка истока продолжается со скоростью, логарифми-
чески зависящей от времени [116]:
Q (!) = Q0- WLstCstkT In (1 + -^)	(4.55)
при
_   LtrLst Cst
Те 2D Ctr ’
где to — начало конечной стадии переноса; W— ширина кана-
ла; Ltr, Lst, Ctr и Cst — соответственно длины и удельные емко-
сти области переноса и области накопления для двухфазного
ПЗС (фиг. 4.13,6). Любая модуляция барьера приводит к по-
терям, которые зависят от величины сигнального заряда, но не
зависят от времени, прошедшего с того момента, когда разряд-
ка истока происходит со скоростью, логарифмически зависящей
от времени. Поэтому дальнейшее уменьшение тактовой частоты
не улучшает эффективность переноса.
108
Глава 4
Двухфазные ПЗС. Исследование переноса заряда в двух-
фазных ПЗС усложняется тем, что должны быть рассмотрены
режимы как с полным, так и неполным переносом заряда. Если
амплитуда напряжения тактового питания настолько мала, что
электрод переноса Р2 все еще создает потенциальный барьер
для носителей в конце переноса и под электродом накопления
Р1 остается некоторый заряд Qr, то прибор работает подобно
пожарным цепочкам (фиг. 4.13,6). Для повышения эффектив-
ности переноса двухфазный ПЗС должен работать с достаточно
большой амплитудой напряжения тактового питания, чтобы
заряд не задерживался за специально созданным потенциаль-
ным барьером. В таком режиме полного переноса остаток
заряда будет стекать с двойной потенциальной ступеньки от
Р1 к Р2 (фиг. 4.13, в). Однако во время начального изменения
напряжения тактового питания потенциалы на электродах
будут иметь некоторое промежуточное значение, при котором
перенос происходит как в пожарной цепочке. Продолжитель-
ность этого промежуточного состояния может быть очень ма-
лой, как при работе в режиме «сбрасывающих импульсов», или
может быть преднамеренно увеличена для уменьшения влия-
ния поверхностных состояний (разд. 2.5), как при работе в
режиме «выталкивающих импульсов». На основании результа-
тов моделирования, проведенного на ЭВМ, можно идентифици-
ровать 3 стадии переноса заряда в двухфазном ПЗС [116].
На первой стадии заряд под электродом накопления Р1
перераспределяется под влиянием самоиндуцированных полей
и начинает перетекать через электрод переноса. При работе в
режиме «сбрасывающих импульсов» этот процесс начинается
мгновенно; при работе в режиме «выталкивающих импульсов»
он начинается, когда потенциал стока меньше потенциала истока.
На второй стадии величина тока ограничивается электро-
дом переноса Р2. Причины этого ограничения те же, что и в
МОП-транзисторе в режиме насыщения тока. Максимальную
скорость переноса заряда можно достичь, если использовать
форму импульса с нарастающим фронтом таким, чтобы разряд
истока был согласован с током насыщения электрода переноса.
На третьей стадии ток разряда становится настолько ма-
лым, что скорость переноса заряда ограничивается стеканием
заряда из-под электрода накопления сначала под влиянием
самоиндуцированного дрейфа, тянущих полей и тепловой диф-
фузии, а затем под влиянием только двух последних факторов,
как это уже отмечалось для трехфазного ПЗС. В оптимально
спроектированном ПЗС ограничения на этой стадии не связаны
с электродом переноса, который обычно короче, чем электрод
накопления, вследствие чего под ним возникают более сильные
Физические ограничения
109
тянущие поля и он действует как совершенный сток. В режиме
неполного переноса заряда третья стадия характеризуется ло-
гарифмическим спадом величины заряда, остающегося в истоке
вследствие тепловой генерации носителей через потенциальный
барьер.
Фиг. 4.14. Неэффективность переноса 8 для ПЗС в режиме неполного пере-
носа заряда или для пожарной цепочки (.) и для ПЗС в режиме полного
переноса заряда при работе в режиме «сбрасывающих импульсов» (—) и
«выталкивающих импульсов» (—). Верхняя кривая для каждого случая по-
лучена с учетом влияния поверхностных состояний [134].
На фиг. 4.14 приведены кривые неэффективности переноса
для разных режимов работы двухфазного ПЗС. Из фиг. 4.14
видно, что эффективность переноса в режиме полного переноса
заряда существенно выше, чем в пожарной цепочке. Экспери-
ментальные данные для двухфазного ПЗС с поверхностным
каналом [48], приведенные на фиг. 4.10, в, подтверждают этот
вывод. Таким образом, в двухфазных ПЗС следует избегать
режима с неполным переносом заряда. Из фиг. 4.14 видно
также, что режим «выталкивающих импульсов» предпочтитель-
нее режима «сбрасывающих импульсов». Причина этого состоит
в том, что в режиме «выталкивающих импульсов» отставший
заряд меньше зависит от величины начального заряда, чем
по
Глава 4
в режиме «сбрасывающих импульсов». Если же учитывать вли-
яние захвата на ловушки (фиг. 4.14), то преимущества ре-
жима «выталкивающих импульсов» станут еще более оче-
видными.
Паразитные эффекты. До сих пор мы рассматривали только
идеальные структуры ППЗ. В реальных приборах конечное
расстояние между электродами или смещение между потен-
циальным барьером и передней кромкой металлического элек-
трода могут быть причинами дополнительного увеличения
неэффективности переноса [33, 34, 147]. В трехфазных ПЗС
с открытыми зазорами и с одним слоем металла могут возни-
кать потенциальные барьеры или карманы, в которых остается
некоторый сигнальный заряд. На эти дефекты рельефа потен-
циала обычно сильно влияют краевые поля от прилегающих
электродов и величина сигнального заряда; поэтому эти эффек-
ты могут приводить к значительному ухудшению эффективности
переноса. Так как заряд, встроенный в диэлектрик, подвержен
влиянию внешней среды, то рабочие характеристики прибора
нестабильны [35, 38]. В структурах с перекрывающимися
электродами эти недостатки отсутствуют.
2.5.	ВЛИЯНИЕ ЗАХВАТА ЗАРЯДА
НА НЕЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕНОСА
В приборах, работающих в режиме полного переноса за-
ряда при достаточно низких тактовых частотах, ограничения,
связанные с перетеканием свободных носителей заряда, стано-
вятся несущественными и основное ограничение эффективности
переноса обусловлено взаимодействием сигнального заряда с
ловушками [119, 133, 148—152].
Такие центры захвата существуют как на границе раздела
кремний — двуокись кремния, так и в объеме кремния. В ПЗС
с поверхностным каналом доминирующим является влияние
поверхностных состояний, поскольку сигнальный заряд сосре-
доточен у поверхности в слое толщиной порядка 10 нм и поэ-
тому соприкасается лишь с небольшим количеством объемных
центров захвата. В ПЗС с объемным каналом сигнальный
заряд не касается поверхности и, следовательно, взаимодейст-
вует только с объемными центрами. Сначала мы подробно
рассмотрим причины неэффективности переноса, обусловлен-
ной захватом, в ПЗС с поверхностным каналом. При этом для
сравнения мы приведем также экспериментальные результаты,
полученные на ПЗС с объемным каналом. Что же касается
специфических особенностей ПЗС с объемным каналом, то они
будут рассмотрены ниже.
Физические ограничения
Ill
ПЗС с поверхностным каналом
Качественное описание. Когда зарядовые пакеты в резуль-
тате переноса оказываются локализованными под тем участком
поверхности, где имеются незаполненные поверхностные состо-
яния, эти состояния заполняются носителями практически
Р2
РЗ Р1(%)
]3(Vp) Р1
Электроды
переноса
Двуокись
кремния
Ловушки
Сигнальный
заряд
Направление переноса заряда
Направление переноса заряда
3
Фиг. 4.15. Схема захвата и генерации сигнального заряда поверхностными
состояниями в трехфазном (а) и двухфазном ПЗС с поверхностным кана-
лом (б).
мгновенно (Ю~9 с) [151]. Когда же сигнальный заряд пере-
носится под другие участки поверхности, с этих состояний про-
исходит генерация ранее захваченных носителей с целым
спектром времен, причем гораздо больших времени заполнения
ловушек. Часть захваченного заряда генерируется поверхност-
ными состояниями настолько быстро, что успевает догнать
исходный зарядовый пакет. Однако генерация носителей с дру-
гих состояний происходит в последующие пакеты (фиг. 4.15,6).
Это приводит к потерям заряда из первого зарядового пакета
и «хвосту заряда» за последним пакетом последовательности.
112
Глава 4
Величина потерь логарифмически растет со временем, истек-
шим с того момента, когда через прибор прошел предыдущий
пакет. Этот эффект проиллюстрирован на фиг. 4.16, а, на кото-
рой представлен выходной сигнал для случая прохождения
Фиг. 4.16. Сигналы, наблюдаемые на выходе 256-элементного трехфазного
ПЗС трехслойными электродами [43, 119].
а — ПЗС с поверхностным каналом без фонового заряда; б— ПЗС с поверхностным каналом
с 10%-ным фоновым зарядом; в —ПЗС с объемным каналом без фонового заряда; г —ПЗС
с объемным каналом с 10%-ным фоновым зарядом.
двух групп «единиц», разделенных двумя «нулями», через
256-элементный трехфазный трехслойный ПЗС с поверхностным
каналом [43]. Первому пакету первой группы «единиц» пред-
шествовало 160 «нулей», и поэтому он ослаблен сильнее из-за
того, что большая часть сигнального заряда была захвачена
пустыми ловушками. Влияние последующей генерации носите-
лей с ловушек проявляется в заряде «нулей», следующих за
обеими группами «единиц».
Физические ограничения
113
Искажения обоих типов можно уменьшить за счет переноса
в каждой потенциальной яме фонового заряда. В идеальном
случае фоновый заряд должен полностью заполнять все по-
верхностные состояния, так чтобы дополнительный сигнальный
заряд не влиял существенно на заполнение ловушек. Одна и та
Фиг. 4.17. Кривые деградации сигнала в 256-элементных трехфазных ПЗС
с трехслойными электродами, представленные в виде доли потерь от первой
«единицы» (—О—) и остатки заряда в первом «нуле» (—ф—), следующем
за группой из нескольких «единиц» [43].
же часть захваченного заряда будет генерироваться в последу-
ющий пакет в каждом цикле переноса и каждый зарядовый
пакет будет терять столько же сигнального заряда, захваты-
ваемого на поверхностные состояния, сколько он получает от
предыдущего пакета. Качественная картина уменьшения влия-
ния поверхностных состояний таким образом в трехфазном
ПЗС представлена на фиг. 4.16, а количественные характери-
стики приведены на фиг. 4.17, где доля потерь заряда из пер-
вой «единицы» и увеличение заряда в первом «нуле» хвоста
заряда даны как функции величины фонового заряда. Эти
искажения быстро достигают минимальной величины при
фоновом заряде, составляющем несколько процентов от
114
Глава 4
Одластъ стоп-
диффузии
Параллельные "краевые
области
а
Сигнальный
заряд
Фоновый заряд
5
Фиг. 4.18. Поперечное сечение канала переноса ПЗС с поверхностным кана-
лом (а) и продольное сечение канала переноса трехфазного ПЗС с поверх-
ностным каналом (б).
максимального заряда. Минимальная неэффективность перено-
са е составляет 5 • 10~5.
Нижний предел неэффективности переноса определяется
влиянием поверхностных состояний, расположенных под края-
ми электродов переноса [151]. Этот так называемый «краевой
эффект» возникает из-за того, что площадь поверхности, под
которой расплывается большой зарядовый пакет, превышает
Физические ограничения
115
площадь, которую занимает пакет фонового заряда. Следова-
тельно, часть поверхностных состояний уе заполняется только
сигнальным зарядом. При количественных оценках эффектов
следует различать влияние краев, параллельных направлению
переноса заряда (фиг. 4.18, а) и перпендикулярных каналу
(фиг. 4.18,6). В первых однослойных структурах с трехтактным
Фиг. 4.19. Зависимость неэффективности переноса в ПЗС с поверхностным
каналом от ширины канала для подложек с различной степенью легирования.
Результаты измерений сравниваются с результатами теоретических вычисле-
ний (--•-) [49].
Параметры использованных подложек: О 0,5—1 Ом • см, п-кремний; □ 1 Ом • см, р-кремний;
 30 Ом • см, р-кремний.
питанием влияние перпендикулярных краев и больших меж-
электродных промежутков было определяющим, особенно в
приборах с короткими электродами (меньше 10 мкм). Исполь-
зование перекрывающихся электродов уменьшает это влияние
и в настоящее время определяющим является влияние парал-
лельных краев [48, 49]. Так как число активных поверхностных
состояний на краю канала постоянно, неэффективность пере-
носа должна быть обратно пропорциональна ширине канала.
Эта зависимость подтверждается в работах [48, 49] ^фиг. 4.19)
и остается справедливой вплоть до ширины канала порядка
50 мкм.
Количественные оценки. Для количественной оценки влия-
ния поверхностных состояний в ПЗС с поверхностным каналом
будем считать, что поверхностные состояния в запрещенной
не
Глава 4
зоне распределены по энергиям непрерывно, а времена генера-
ции экспоненциально зависят от энергетического уровня ловуш-
ки. Парциальный темп генерации носителей е(Е) с данного
поверхностного состояния, локализованного на расстоянии Е от
края запрещенной зоны, можно описывать уравнением Шок-
ли— Рида — Холла [154, 155]
е (Е) = о (£) vthNc exp (- E/kT),	(4.56)
где Е — энергия состояния относительно ближайшего края зо-
ны; о(£)—сечение захвата на это состояние; vth— средняя теп-
Фиг. 4.20. Зависимость потерь заряда в первой «единице» от числа предше-
ствующих нулей, полученная на трехфазном 256-элементном ПЗС с трехслой-
ными электродами [43].
ловая скорость носителей заряда, a Nc— эффективная плот-
ность состояний в рассматриваемой зоне. Вероятность р того,
что ловушка, захватившая носитель на энергетический уро-
вень £, генерирует его за время /, равна
р = 1 — ехр [— /е (£)].	(4.57)
Следовательно, среднее число носителей, генерируемых за
время t с единицы площади ловушками, полностью заполнен-
ными при t = 0, дается выражением
N(t) = J Ns (£) {1 - exp [- /о (£) vthNc exp (- E/kT)]} dE, (4.58)
0
где NS(E) — плотность поверхностных состояний на электрон-
вольт для состояний, имеющих энергию Е. Полагая величину
NS(E) не зависящей от энергии и равной константе Nss, а сече-
Физические ограничения
117
ние захвата равным константе о, можно упростить уравнение
(4.58) [150]:
N(t) = kTNss\n^vthNct).	(4.59)
Это выражение справедливо при(о'у^Л^с)~* 1 t <С ттЬ, где хтъ—
время генерации с поверхностных состояний в середине запре-
щенной зоны. Для электронов в кремнии (ovx^Vc)-1 — 8 • 10~12 с
и хтъ ж 10~2 с, а поэтому можно ожидать, что выражение (4.59)
справедливо для времен t от 10-10 с до 10~3 с.
Теперь, используя выражение (4.59), можно вычислить по-
тери заряда (разд. 2.1) в первом зарядовом пакете, который
следует за nz «нулями», прошедшими после предыдущего па-
кета. Поверхностные состояния вдоль направления переноса
первого пакета генерируют носители в течение времени
(nz/fс + 1 /pfс), где р — число фаз, a fc — тактовая частота. Та-
ким образом, число носителей на единицу площади поверхно-
сти, уходящих из первого зарядового пакета на поверхностные
состояния за один перенос, определяется выражением
Nes = [JV (nX + 1/р/₽) - N ОМ)]-	(4.60)
Используя выражения (4.59) и (4.60), получаем1)
Nes = kTNss\n(pnz+V).	(4.61)
То, что эта зависимость приближенно воспроизводится экспе-
риментально, видно из верхней кривой на фиг. 4.20. Потери
9 В то время, как условием справедливости выражения (4.59) служат
равенства NS(E) = Nss и о(Е) = о, для справедливости выражения (4.61)
достаточно выполнения следующих более слабых условий:
I Ns(Ett)-Ns(Et2) | I	I
I Ns(Etl) |CI | u(Etl) |C1’
где Et — kT In [a(£/) VthNcf], t\ — nz/fc + \/pfc, tz = l/pfc. Таким образом,
поскольку Et слабо зависит от t, речь здесь фактически идет о малости отно-
сительных изменений NS(E) и о(Е) при изменении энергии на величину по-
рядка kT вблизи энергии Et. [Поспелов В. В., Фукс Р. X., Хафизов Р. 3.,
Микроэлектроника, т. 5, стр. 515 (1976).] Поскольку из приводимых в лите-
ратуре данных (A. Goetzberger, Е. Klausmann, М. J. Schulz, CRC Critical
Reviews in Solid State Sciences, January 1976, pp. 1—43) следует, что распре-
деления плотности поверхностных состояний и сечений захвата по энергиям
являются весьма гладкими, за" исключением краев запрещенной зоны, то
условия (1) являются вполне реалистичными. Что же касается причин воз-
можных отклонений экспериментальных зависимостей из формулы (4.61), то
они могут быть связаны не только с модуляцией эффективной площади элек-
трода, о которой пойдет речь в дальнейшем. Дело в том, что, как показано
в приведенной выше работе, выражением (4.58) можно пользоваться лишь
при описании стекания заряда из-под достаточно коротких электродов пере-
носа с L < 10 мкм. В случае длинных электродов с L > 10 мкм при вычис-
лении вероятности генерации носителя ловушкой (4.57) нельзя пренебрегать
возможным захватом свободных носителей. — Прим, перев.
118
Глава 4
заряда 6S равны qAsNes, где As— площадь поверхности, зани-
маемая зарядовым пакетом при каждом переносе.
В предельном случае, когда nz = 1, потери заряда, описан-
ные выше, равны количеству заряда, который генерируется в
первый «нуль», следующий за последовательностью «единиц».
Для малых потерь заряда неэффективность переноса 8 можно
аппроксимировать следующим выражением:
е = q-N-^A-s- = q^TNvss In (р + 1),	(4.62)
Qs	s
где As — площадь поверхности, занимаемая зарядовым пакетом
при каждом переносе; Сох — емкость слоя окисла на единицу
площади; Qs — сигнальный заряд, равный ASCOXVS‘, Vs— измене-
ние поверхностного потенциала, вызванное зарядом Qs, и р —
число фаз.
Для того чтобы оценить уменьшение 8, которое можно полу-
чить за счет использования во всех пакетах фонового заряда,
предположим, что фоновый заряд закрывает площадь Аъ по-
верхности каждого электрода переноса и состояния под этой
площадью не влияют на процесс переноса, если они заполняются
в каждом цикле. Определим параметр краевого эффекта у =
= (As — A&)/As. Этот параметр характеризует уменьшение
площади поверхности, под которой локализованы поверхност-
ные состояния, дающие значительный вклад в неэффективность
переноса. Таким образом, неэффективность переноса &ь при
наличии фонового заряда равна
ей = ^4^1п(р+1).	(4.63)
^OXV S
Величина у была оценена для различных структур электро-
дов. Она изменяется от 0,75 для трехфазного ПЗС с одним
слоем металла и с зазорами 3 мкм [151] до 0,1 и меньшей
величины для широкого канала в приборе с перекрывающимися
электродами [153]. Типичные значения плотности поверхност-
ных состояний, вычисленные из измеренных значений неэффек-
тивности переноса, составляют величину порядка 1011 эВ-1-см-2
для поверхности кремния с ориентацией (1 1 1) и лежат в диа-
пазоне 2 • 109 — 2 • 1010 эВ-1 • см-2 [43, 48] на подложках с
ориентацией поверхности (1 0 0). Влияние краев электродов
проявляется в увеличении 8 для приборов с более узким кана-
лом (фиг. 4.19). В n-канальном ПЗС с перекрывающимися
легированными фосфором поликремниевыми электродами, ле-
жащими на поверхности кремния с ориентацией (1 0 0), мини-
мальная величина е, которая наблюдалась в приборе с шириной
канала 40 мкм, составляла Ю-5 на перенос [156]. Это соответ-
ствует очень малому значению Nss (~Ю9 эВ-1 • см~2), что
также подтверждается измерениями шума переноса (разд. 3.1).
Физические ограничения
119
В двухфазных ПЗС с потенциальным барьером под каждым
электродом краевой эффект можно минимизировать за счет
использования режима «выталкивающих импульсов» [116, 138]
(разд. 2.5), в котором заряд выталкивается через барьер, в то
время как поверхностный потенциал поддерживается почти
постоянным в течение переноса. Таким образом, площадь по-
верхности, находящаяся в контакте с сигнальным зарядом,
почти не зависит от уровня сигнала и влияние краевого эффекта
на неэффективность переноса уменьшается приблизительно на
порядок величины по сравнению с режимом «сбрасывающих
импульсов» [116, 153]. Можно ожидать, что для режима «вы-
талкивающих импульсов» вполне достижимым является значе-
ние неэффективности переноса 8 = 2,5 • 10~5 в канале шириной
8 мкм.
В приборах с широким каналом (>100 мкм) определяющим
становится влияние перпендикулярных краев. Однако в трех-
или четырехфазных ПЗС влияние перпендикулярных краев
уменьшается за счет захвата носителей во время переноса за-
ряда из одной ямы в другую. В двухфазных ПЗС состояния в
области барьера, захватывающие заряд во время переноса, могут
давать дополнительный вклад в неэффективность переноса, ко-
торый зависит от количества фонового заряда, скорости пере-
носа заряда, тянущего электрического поля и сечения захвата
на поверхностные состояния [151].
ПЗС с объемным каналом
В ПЗС с объемным каналом влияние захвата на эффектив-
ность переноса оказывается подобным (но меньшим по величи-
не) влиянию в ПЗС с поверхностным каналом [152, 119]. Ло-
вушки имеются и в объеме полупроводника. Они обычно обла-
дают дискретными энергетическими уровнями. Мы предполо-
жим, что захват на ловушки описывается уравнением Шокли —
Рида—Холла (4.56). Если зарядовый пакет, попадающий в
потенциальную яму, занимает объем Vc, тогда каждая ловушка,
имеющая уровень с энергией Ek и объемной плотностью Ntk,
будет захватывать VcNtk носителей. Число носителей Neb, захва-
ченных ловушками с данным энергетическим уровнем и време-
нем генерации xek, равно
Neb = NtkVc exp (— l/pfcxek),	(4.64)
где p— число фаз.
В рассмотренном выше случае, когда nz пустых зарядовых
пакетов предшествуют сигнальному пакету заряда, потери за-
ряда 6ъ равны
t*vc ехР (—	[ 1 — ехр (— пг//₽тей)].	(4.65)
120
Глава 4
Эти потери сильно зависят от произведения рабочей частоты
и времени генерации %eh объемных состояний. Если имеется не-
сколько уровней объемных ловушек, должны быть добавлены
дополнительные слагаемые того же вида с соответствующими
Nth И Пек-
Характеристики ПЗС с объемным каналом, работающих как
с фоновым зарядом, так и без него, показаны на фиг. 4. 16, в
и г. Кривая, приведенная на фиг. 4.20, хорошо описывается
выражением (4.65) и соответствует тому, что имеются объем-
ные ловушки с временем генерации 275 мкс и плотностью
1,2 • 1011 см-3. Наличие некоторых потерь заряда для малого
числа «нулей» означает присутствие по крайней мере еще од-
ного типа ловушек с временем генерации, меньшим, чем такто-
вый период, равный 1 мкс. В экспериментах при более высоких
частотах было показано, что эти ловушки имеют время гене-
рации 0,3 мкс и плотность 1,8 • 1011 см~3.
Искажения сигнала в первой «единице» и в первом «нуле»,
следующем за группой «единиц», представлены на фиг. 4.17
как функция фонового заряда. Эти искажения гораздо меньше,
чем в ПЗС с поверхностным каналом, но все-таки они суще-
ствуют.
Неэффективность переноса в ПЗС с объемным каналом
обусловлена почти полностью краевыми эффектами в объеме
полупроводника из-за того, что объем Кс> занимаемый зарядо-
вым пакетом, сильно зависит от размера пакета (фиг. 4.3).
Поэтому использование фонового заряда приводит к гораздо
меньшему относительному улучшению эффективности перено-
са, чем в ПЗС с поверхностным каналом. На фиг. 4.21 приве-
дены теоретическая зависимость расширения объема, занимае-
мого зарядом, от величины самого заряда и экспериментальная
зависимость потерь заряда в первой «единице» группы импуль-
сов. Вид обеих кривых имеет много общего, что указывает на
плоское дно потенциальной ямы при малых сигналах. Более
крутой наклон экспериментальной кривой может быть объяс-
нен неоднородностью плотности ловушек или нарушениями
профиля имплантированной легирующей примеси.
В двухфазных ПЗС следует рассматривать также влияние
заряда, захваченного во время переноса под областью барьера;
но так как в этом месте заряд проходит через узкий участок
канала, это явление будет, по-видимому, незначительным. Кро-
ме того, поскольку носители пролетают область барьера за ма-
лое время, только небольшая их часть успевает захватиться на
ловушки. Действительно, для частот, больших 10 МГц, влия-
ние захвата будет ослаблено, так как вероятность захвата но-
сителей конечна. Это следует из того, что при комнатной тем-
пературе с vtb = 107 см-с"1 и при наличии свободных носителей
Физические ограничения
121
с плотностью А7/ = 1О15см“3 время захвата на пустую ловушку
с сечением захвата 10“15 см-2 равно 10 нс.
В общем случае рабочие характеристики ПЗС с объемным
каналом менее подвержены влиянию захвата, чем рабочие ха-
рактеристики ПЗС с поверхностным каналом, поскольку плот-
Сигнальный заряд, пКл
Фиг. 4.21. Зависимости вычисленного пространственного размера зарядового
пакета (—) и измеренной величины (---------------) потерь заряда в первой
«единице» в ПЗС с объемным каналом от величины сигнального заряда [119].
ность объемных состояний относительно мала. Поэтому, в ча-
стности, в отсутствие фонового заряда сигнал в ПЗС с объем-
ным каналом деградирует гораздо слабее. Неэффективность
переноса в ПЗС с объемным каналом при низких частотах из-
меняется сильнее, чем в ПЗС с поверхностным каналом, а
плотность и спектр ловушек изменяются в значительной сте-
пени от прибора к прибору в зависимости от материала под-
ложки, процессов и оборудования, используемого при изго-
товлении прибора. В первых ПЗС, о которых шла речь в этом
разделе, исследования примесей, ответственных за ловушки в
объеме кремния, не проводились. Такие исследования, по-види-
мому, будут успешными и можно ожидать создания приборов
с еще меньшими плотностями ловушек.
122
Глава 4
3.	ШУМЫ
Шум, который накладывается во время переноса заряда
или на выходе прибора на сигнал, идущий от входа, уменьшает
точность, с которой информация, представляемая в ППЗ заря-
довыми пакетами, может быть восстановлена и определена
(особенно при минимальных величинах заряда). В этом разде-
ле мы обсудим различные источники внутренних шумов, свя-
занных с переносом и хранением зарядовых пакетов, и источ-
ники внешних шумов, связанных с работой прибора, инжекци-
ей и детектированием сигнального заряда, а также способы
уменьшения влияния шумов.
3.1.	ШУМ ПЕРЕНОСА
При движении зарядовых пакетов вдоль ППЗ некоторая
часть заряда отстает при каждом переносе. Отстающий заряд
имеет не только систематическую зависимость от величины
сигнала и других параметров, но также и флуктуирует, в ре-
зультате чего изменяется величина переносимых зарядовых па-
кетов и поэтому вносится шум. Процессы, связанные с перено-
сом, приводят к шуму с особым спектральным распределением
из-за того, что избыток заряда в одном пакете должен сопро-
вождаться соответствующим дефицитом заряда в соседнем за-
рядовом пакете (т. е. флуктуации в соседних зарядовых паке-
тах коррелированы [151, 157]). Следует иметь в виду, что от-
дельный зарядовый пакет в каждом переносе флуктуирует
дважды: из-за флуктуаций той части заряда, которая отстает от
предыдущего пакета, и из-за флуктуаций той части заряда, ко-
торая отстает от данного пакета и попадает в следующий па-
кет. Поэтому для оценки усредненного полного шума переноса
в каждом зарядовом пакете следует использовать двойную ва-
риацию шума переноса. Если флуктуации в каждом переносе
независимы, среднеквадратичная флуктуация в зарядовом па-
кете после п переносов равна
AQ2 = 2п для пг < 1,	(4.66)
где AQ^.— полная среднеквадратичная флуктуация для каж-
дого переноса. При восстановлении аналоговых сигналов, огра-
ниченных полосой частот ниже предела Найквиста /с/2, корре-
ляция приводит к увеличению спектральной плотности шумов
на высоких частотах и подавлению шума на низких частотах.
Спектр шума переноса в ППЗ, который работает при тактовой
частоте fc, имеет вид [157]
str (f) = Wr (1 - cosir) •	(4.67)
Физические ограничения
123
Как мы уже подчеркивали выше, в случае конечной неэф-
фективности переноса 8 зарядовые пакеты при движении вдоль
прибора перемешиваются, а следовательно, перемешиваются и
шумовые компоненты этих пакетов [158, 159], что приводит в
основном к уменьшению шумов в ППЗ. Однако на практике
П8 <С 1 (т. е. перемешивание отдельных зарядовых пакетов не-
значительно) и подавление шума пренебрежимо мало.
Упрощенный подход к рассмотрению шума переноса состоит
в том, что изменения е принимаются в качестве источника шу-
ма, равного по величине дробовому шуму при сохраняющемся
числе носителей [133, 160, 159], т. е. \Q2trlq~ — &Qs/q. Это пред-
положение справедливо в приборах с полным переносом заря-
да, когда на эффективность переноса влияет лишь перенос сво-
бодных носителей. Но на эффективность переноса обычно ока-
зывают влияние и другие процессы, которые и являются источ-
никами шума, превышающего шум, связанный с изменениями
е. Ниже рассмотрены основные источники шума в ППЗ.
Неполный перенос заряда
Шум в пожарных цепочках, в C4D и других приборах, рабо-
тающих в режиме с неполным переносом заряда, определяется
в основном изменениями проводимости канала МОП-транзи-
стора, статистическим характером генерации носителей через
потенциальный барьер и шумом тактового питания. Из прибли-
женного вывода [158, 159] величины теплового шума, создавае-
мого в канале МОП-транзистора, следует, что этот шум опре-
деляется флуктуациями заряда, который остается в истоке во
время переноса, и описывается выражением
Д(?2=|Ш?5,	(4.68)
где Cs — полная емкость истока.
На конечной стадии переноса, когда разрядка истока опре-
деляется тепловой генерацией, флуктуации заряда уменьшают-
ся до величины
We = ^kTCs.	(4.69),
В зависимости от частоты тактового питания пожарной цепоч-
ки флуктуации переносимого заряда AQtr будут определяться
либо выражением (4.68), либо (4.69). Кроме того, нестабиль-
ности напряжения тактового питания, модулирующие проводи-
мость канала или высоту барьера, в- процессе переноса через
емкостную связь подаются на эффективный исток. Влияние
124
Глава 4
флуктуаций напряжения тактового питания АУ2Д> усреднен-
ных по всему циклу переноса, было вычислено в работе [159],
где было показано, что флуктуации заряда, который вытекает
из истока, описываются выражением
AQ^«AV^C2S,	(4.70)
где CGS — емкость электрод — исток.
С флуктуациями переноса связаны существенные ограниче-
ния характеристик пожарной цепочки. В приборе с электрода-
ми площадью 200 мкм2, расположенными на слое окисла тол-
щиной 100 нм, величина AQ2 составляет приблизительно 100
электронов, и, таким образом, для пакета из 105 электронов от-
ношение сигнал/шум ограничено 40 дБ уже после 100 пере-
носов.
Шум поверхностных состояний
В приборах с полным переносом заряда, в которых свобод-
ный заряд не остается под электродом переноса, все виды
шума, о которых шла речь выше, становятся несущественными.
Основным источником шума в этом случае являются флуктуа-
ции заряда, который захватывается на ловушки [133, 151]. По-
нятно, что ни самые быстрые состояния, которые опустошаются
полностью за время переноса, ни самые медленные состояния,
которые заполнены в течение всего времени, не могут быть от-
ветственны за этот шум, поскольку число носителей, генери-
руемых этими состояниями, практически не флуктуирует. Ос-
новной шум обусловлен теми состояниями, которые имеют по-
стоянную времени генерации, равную по порядку величины
времени переноса.
Для ПЗС с поверхностным каналом парциальный темп ге-
нерации е(Е) захваченных носителей с данного поверхностного
состояния с энергией Е описывается уравнением (4.56). Мы
будем полагать, что при t = 0 все ловушки заполнены. Вероят-
ность р того, что носитель, захваченный на поверхностное со-
стояние с энергетическим уровнем Е} генерируется за время Z,
определяется уравнением (4.57). Таким образом, для поверх-
ностных состояний, локализованных в узкой полосе энергий
АЕ и под данной площадью As электрода, под которым носите-
ли захватываются на поверхностные состояния, среднеквадра-
тичная флуктуация заряда в момент t равна
AQL (£) = <?2р (1 - р) ASNS (Е) ЬЕ.	(4.71)
Полная флуктуация заряда, захваченного на ловушки, получа-
ется в результате интегрирования по всем энергетическим со-
Физические ограничения
125
стояниям. Тогда с помощью выражений (4.57) и (4.71) полу-
чаем
___ £^/2
AQ2s= J ^s(£){[l-exp(-/e(£))]exp(-^(E))}d£. (4.72)
О
Этот интеграл легко взять тем же способом, что и (4.58), если
положить, что о(£) и Ns(E)* 1) не зависят от энергии, так что
b^ = q*kTAsNss\n2.	(4.73)
Следовательно, шум, обусловленный захватом носителей на ло-
вушки, не зависит от времени и приближенно равен дробовому
шуму носителей, которые генерируются поверхностными состоя-
ниями из энергетической полосы шириной kT.
Выражение (4.73) можно теперь подставить в выражение
(4.66) и получить для каждого отдельного зарядового пакета
отношение мощностей сигнал/шум S/N, равное
s_ (Qs/^ _ Asy; .	(474)
N 2п AQ^ 2nkTNss In 2
Подобная же подстановка выражения (4.73) в (4.67) дает воз-
можность получить спектральное распределение мощности шу-
ма для оптимально отфильтрованных аналоговых сигналов
S(f) = ^v11«MXs(l-cos2n-/-).	(4.75)
Эта функциональная зависимость получила экспериментальное
подтверждение [93, 97, 98] в результате измерений, проведен-
ных на трехфазном n-канальном ПЗС, созданном на кремнии
p-типа с ориентацией поверхности (10 0), с использованием
перекрывающихся поликремниевых электродов. Результаты из-
мерений представлены на фиг. 4. 22. На основании этих данных
была оценена плотность поверхностных состояний, оказавшая-
ся довольно малой (~ 109 см-2-эВ-1).
Шум в ПЗС с поверхностным каналом значительно меньше,
чем в пожарных цепочках, даже если значения Wss превышают
эту величину. Сравнивая выражения (4.68) и (4.73), полу-
чаем отношение
_____Шум пожарной цепочки_______ 2CS	/.
Шум ПЗС с поверхностным каналом 3qNss In 2 *	*
9 И здесь для получения выражения (4.73) вполне достаточно потребо-
вать, чтобы относительное изменение величины Na(E) при изменении энергии
Е на kT было мало при Et близком к Et (см. примечание на стр. 117).—
Прим, перев.
126
Глава 4
Полагая величину Nss = 1010 см-2-эВ-1, т. е. относительно
большой, получим, что средняя флуктуация заряда на перенос
в ПЗС с поверхностным каналом с площадью . электрода
200 мкм2 составляет примерно 18 электронов. Хотя данный
Фиг. 4.22. Спектральное распределение шума переноса, измеренное на трех-
фазном ПЗС с поверхностным каналом при тактовой частоте 1 МГц. Штри-
ховой линией обозначены результаты теоретических вычислений, проведенных
с учетом корреляции шумов между близлежащими электродами [98].
шум в пять раз меньше, чем шум переноса в пожарной цепочке
с такими же размерами, этим шумом нельзя пренебрегать, осо-
бенно в таких больших приборах, как приемник изображения
телевизионного стандарта, где перенос может являться основ-
ным источником шума (гл. 5, разд. 3.4).
Шум объемных ловушек
Подобно поверхностным состояниям, объемные ловушки
также вносят шум в сигнал, переносимый в ПЗС с объемным
каналом [119, 152]. Однако в объеме уровни ловушек обычно
дискретны и, следовательно, шум, связанный с ними, зависит
Физический ограничения
127
от частоты. Он максимален, когда время между последователь-
ными переносами, в течение которого носители могут генериро-
ваться в пакет, из которого они были ранее захвачены, равно
по порядку величины постоянной времени генерации xek-
Фиг. 4.23. Зависимость полного шума переноса уединенного зарядового па-
кета от тактовой частоты, полученная на трехфазном с трехслойными электро-
дами ПЗС с поверхностным каналом (ширина канала 200 мкм, длина электро-
дов 10 мкм и 256 ячеек) и вычисленная для аналогичного ПЗС с объемным
каналом с двумя уровнями ловушек, обладающими временами генерации
275 мкс и 0,3 мкс соответственно [119].
Для моноэнергетических ловушек с плотностью Ntk и при
объеме Vc на электрод выражение, описывающее вариацию
AQ^ распределения заполненных и пустых ловушек, анало-
гично выражению (4.71)
А0=; = 9гехр(-//т1г)[1 -exp(-(/S1)]Vs№,- W-77)
В отличие от случая непрерывного спектра поверхностных со-
стояний это выражение зависит от времени t возможной гене-
рации и достигает максимума при t = xeh In (2), причем
(ЖЖакс^0.25^-	(4.78)
Если имеется несколько уровней, на которые может происхо-
дить захват, среднеквадратичный шум переноса является сум-
мой всех величин AQ^ для каждого уровня. Подстановка этой
суммы в выражение (4.66) позволяет получить полный шум
128
Глава 4
переноса AQ2b в объемном канале
Е Ntk exp (- t/xek} [1 - exp (- Цх^. (4.79)
xek
Эта зависимость представлена в виде графика на фиг. 4. 23 для
двух уровней объемных ловушек с концентрациями 1,2 X
ХЮ11 см~3 и 1,8-1011 см-3 и постоянными времени генерации
о 0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
величина зарядоЪого пакета, пКл
Фиг. 4.24. Зависимость полного шума переноса уединенных зарядовых паке-
тов от величины сигнального заряда, полученная на ПЗС с поверхностным
каналом и вычисленная для ПЗС с объемным каналом [119].
275 мкс и 0,3 мкс соответственно. Эти значения были получены
из измерений потерь заряда (разд. 2.5) в ПЗС с объемным
каналом. Ширина канала, используемая при построении графи-
ка, была выбрана равной 180 мкм, и при этом принималось, что
весь зарядовый пакет сосредоточен в канале, созданном им-
плантацией. Сравнение с соответствующими кривыми, получен-
ными на ПЗС с поверхностным каналом с очень низкой плот-
ностью поверхностных состояний (109 см~2-эВ-1), ясно показы-
вает, что шумы переноса в ПЗС с объемным каналом гораздо
меньше. Кроме того, поскольку активный объем Vc, занимае-
мый зарядовым пакетом, уменьшается вместе с величиной сиг-
нала, то для очень малых сигналов число взаимодействующих
объемных состояний также становится очень малым [119, 161].
Физические ограничения
129
Этот эффект иллюстрируется фиг. 4.24, на которой представ-
лена зависимость шума переноса от величины зарядового па-
кета.
3.2.	ГЕНЕРАЦИОННЫЙ ШУМ
Если перенос заряда в ППЗ прерывается, поскольку на элек-
троды вместо тактовых импульсов подаются постоянные напря-
жения, то отдельные потенциальные ямы будут собирать заряд
в соответствии с величиной локальной тепловой или световой
генерации носителей. Для обоих этих процессов появление от-
дельного носителя полностью случайно, и поэтому средний
квадрат флуктуаций заряда, собираемого в данной яме, равен
сигналу	___ ____
AQ9.	Qs
q2	q ’
где Qs — средний сигнальный заряд. Для больших сигнальных
пакетов, создаваемых световой генерацией носителей, эти флук-
туации преобладают над другими источниками шума.
Темновой ток также будет собираться в потенциальных
ямах не только при остановке, но и при движении заряда вдоль
канала. Если все зарядовые пакеты проходят вдоль одного и
того же канала, они получают один и тот же суммарный вклад
от темнового тока и, следовательно, выражение для флуктуа-
ций заряда имеет вид
^d-qtQdi,	(4.81)
1 = 1
где Qdi — средняя величина, темнового заряда, накапливаемого
в г-й яме. Однако, если при работе прибора изменяется его
тактовая частота или прерывается последовательность перено-
сов, величина темнового заряда, накапливаемого в различных
зарядовых пакетах, также будет изменяться и появляться на
выходе в виде фиксированного профиля шумов. Этот источник
шума особенно важен, поскольку величина шума возрастает
линейно с временем накопления. Если не предпринимать спе-
циальных мер при создании прибора или не охлаждать его,
этот шум будет ограничивать использование прибора при боль-
ших временах накопления, которые бывают необходимы в при-
емниках изображения.
3.3.	ШУМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИНЖЕКЦИИ
Шум, связанный с инжекцией электрического сигнала, су*
щественно зависит от способа формирования зарядового паке-
та. В схемах с динамической инжекцией (гл. 3, разд. 3.1, 5
5 Зак. 816
130
Глава 4
фиг. 3.12, а) дополнительный шум возникает из-за флуктуаций,
обусловленных динамической инжекцией заряда, нестабильно-
стей напряжения и флуктуаций длительности импульса, кото-
рая определяет величину инжектированного заряда. В мень-
Число сигнальных злектронов
bfO6 2'106 3-106 4-10^ S’106 6-106
Фиг. 4.25. Экспериментальные зависимости шума электрической инжекции от
величины зарядового пакета для нескольких вариантов метода уравнивания
потенциалов [98].
а — трехфазный ПЗС (на электрод G1 подан входной сигнал, на электрод G2 — импульсное
напряжение); б — двухфазный ПЗС (входной сигнал подан на G1); в — трехфазный ПЗС
(входной сигнал подан на G1 (или G2), постоянное напряжение на G2 (или G1)).
шей степени эти шумы проявляются в схемах метода отсечки
диода (фиг. 3.12,6). В этом случае дополнительный шум воз-
никает из-за флуктуаций оставшейся части заряда, которая
распределяется между входом диода и первой потенциальной
ямой, когда импульсное напряжение снимается с входного
электрода (IG).
Лучшие результаты получаются при использовании метода
уравнивания потенциалов [94, 96], который описан в гл. 3
(фиг. 3.12,в и г). Среднеквадратичная тепловая флуктуация
Физические ограничения
131
заряда, сохраняющегося в измерительной яме емкостью См,
равна 2l$kTCM или ЧъЬТСм [в соответствии с выражениями
(4.68) или (4.69)] и зависит от того, сколько времени продол-
жается процесс уравнивания. Если в качестве измерительной
ямы между двумя входными электродами используется диод,
смещенный в обратном направлении [95], вместо МОП-конден-
сатора, то, кроме указанного выше шума, возникнет дополни-
тельный шум, обусловленный вытеканием сигнального заряда
из диода.
Так как во всех методах уравнивания потенциалов размер
инжектированного зарядового пакета определяется разностью
потенциалов первых двух электродов, любой шум тактового пи-
тания этих электродов будет искажать сигнал и тогда
^Q2ci-^V2cfi2M.	(4.82)
Способ инжекции заряда, иллюстрируемый фиг. 3.12, по кото-
рому ни на один из электродов не подается напряжение такто-
вого питания, должен, таким образом, вносить минимальный
шум, поскольку напряжение, приложенное к электродам, мож-
но хорошо стабилизировать. Это предположение подтверждает-
ся экспериментальными результатами (фиг. 4.25), полученны-
ми на трехфазном ПЗС с широким каналом (180 мкм) [97, 98,
161]. Однако экспериментальные значения существенно больше
теоретического значения 2l$kTCM- Дополнительный вклад в шум
через емкостную связь вносят импульсы тактового питания. Хо-
рошо спроектированная конструкция входной структуры, со-
держащая соответствующее экранирование измерительных
электродов от импульсов тактового питания, должна снизить
шум входного устройства при работе ПЗС в режиме уравнива-
ния потенциалов до величины, близкой к теоретическому пре-
делу.
3.4.	ШУМ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИГНАЛА
В устройствах обработки сигнала обычно можно выбирать
величину зарядовых пакетов, соответствующих сигналу в отно-
сительно широких пределах. Сигнальный заряд можно увели-
чить за счет использования более широкого канала переноса,
хотя при этом увеличивается площадь, а следовательно, и стои-
мость прибора. Для достаточно широких каналов шумы вход-
ных цепей или переноса будут превышать шум, вносимый счи-
тывающим устройством. В приемниках изображения величина
заряда определяется внешним световым потоком и временем
накопления. Для шума световой генерации (в отличие от шума
электрической инжекции) отношение шум/сигнал уменьшается
5*
132
Глава 4
как квадратный корень из величины сигнала. В ПЗС с объем-
ным каналом при соответствующих размерах электродов шум
переноса весьма мал, а шум темнового тока можно уменьшить
за счет охлаждения прибора. Основной шум в этом случае обу-
словлен считывающим устройством. Мы проведем сначала тео-
ретический анализ предельно достижимых характеристик поч-
ти идеальной системы. Эти характеристики затем сравним с
реальными характеристиками ПЗС.
Теоретический анализ
В ППЗ при детектировании сигнала заряд появляется на
диоде, смещенном в обратном направлении, или на плавающем
затворе. Шумовые характеристики емкостных источников сиг-
нала были хорошо изучены во время обширных исследований
на детекторах частиц в ядерной физике [162—164]. При этом
были разработаны методы увеличения отношения сигнал/шум.
В оптимально спроектированной системе основным шумом бу-
дет шум чувствительного полевого транзистора, являющегося
частью первого каскада предусилителя.
На фиг. 4.26, а приведена эквивалентная цепь емкостного
источника, связанного с предусилителем, где Ср, Cs и Сщ —
емкости детектора, паразитной связи и входа усилителя соот-
ветственно. Напряжение смещения детектора VB подается через
сопротивление смещения RB. Источник сигнала и ток утечки
детектора представлены источниками тока is (/) и /р, а после-
довательно соединенные усилители и параллельно соединенные
источники шума представлены источниками напряжения ип и
тока in, спектр шума которых может быть как гауссовым, так
и белым. Если сопротивление смещения RB достаточно велико,
т. е. RbId 2kT/q, то его дробовым шумом можно пренебречь.
Все емкости можно заменить эквивалентной емкостью, а ис-
точники шума можно заменить эквивалентными сопротивлени-
ями (фиг. 4.26, б):
=	(4.83)
И	__
^ = 4Ш?5А^	(4.84)
где А/ — узкая полоса интересующего диапазона частот. Во
всех практических случаях Rp < Rs и, таким образом, шум со-
противления Rp доминирует на низких частотах, а на высоких
частотах существен только шум сопротивления Rs. На одной
определенной частоте эти два шума становятся равными, а
соответствующая постоянная времени Тс определяется выраже-
нием
Tc = Cta/RpRs	(4.85)
Физические ограничения
133
Согласованный
фильтр детектор
Фильтр белого
шума^
м
г
Фиг. 4.26. Идеализированный детектирующий узел.
а — эквивалентная схема выхода ППЗ; б —упрощенная цепь; в —схема идеальной системы,
содержащей фильтр белого шума и согласованный фильтр для детектирования сигнала;
а —эквивалентная схема системы, использующей фильтрацию с трапецеидальными импуль
сами и интегрирование.
и играет важную роль при нахождении условий идеальной
фильтрации сигнала.
Для данных сигнала и предусилителя имеется несколько
оптимальных способов фильтрации на выходе, увеличивающих
отношение сигнал/шум. Один из способов состоит в следующем.
Сначала осуществляется фильтрация, в результате которой
134
Глава 4
шум становится белым. Затем в присутствии этого шума сигнал
измеряется с весовой функцией, которая имеет форму импульса
тактового питания. Эта функция может быть получена с по-
мощью согласованного фильтра (фиг. 4.26, в) или коррелятора.
Другой способ, который также позволяет получать наибольшее
возможное отношение сигнал/шум, состоит в использовании
распределенного управляемого фильтра для измерения исход-
ного сигнала is(t) с весовой функцией w(/), которая является
зеркальным отображением импульсного отклика, полученного
с помощью идеально согласованного фильтра. В результате
такой процедуры получается наилучшая оценка амплитуды
сигнала:
4-00
Е = J	(4.86)
— оо
Для емкостных источников (фиг. 4.26) и для сигналов в
виде б-функции идеальной весовой функцией (без ограничений
на время измерения) является импульс пикообразной формы,
состоящий из двух касающихся в вершине экспонент с постоян-
ной времени Тс. При условии, что время измерений конечно (это
условие налагается в ППЗ, например, тактовой частотой), пико-
образный импульс должен спадать до нуля в пределах интер-
вала измерений. Для практических целей функция w(t) может
быть заменена импульсом треугольной формы, что приводит
лишь к пренебрежимо малому дополнительному шуму. Кроме
того, сигнал имеет конечную продолжительность и его форма
может зависеть от амплитуды. В этом случае треугольник
заменяется на трапецеидальную фильтрующую функцию [165],
плоская вершина которой соответствует максимальной продол-
жительности сигнала. В системах с тактовым питанием (таких,
как ППЗ) можно использовать управляемые фильтры, так как
время, когда сигнал должен появляться в детектирующем уз-
ле, известно, и весовые функции могут быть поэтому легко
рассчитаны для любой внешней задержки.
На практике фильтрацию предпочтительнее выполнять уже
над усиленным сигналом для уменьшения дополнительного шу-
ма, вносимого управляемыми фильтрами. Начальное усиление
необходимо согласовывать с интегрированием во избежание
шума, обусловленного малой величиной сопротивления детек-
тирования. Влияние интегрирования можно затем компенсиро-
вать последующим дифференцированием усиленных сигналов.
Влияние дрейфа нуля, который возникает из-за перемешивания
импульсов, обусловленного наличием в такой системе емкост-
ной связи, можно устранить, используя технику восстановле-
ния на постоянном токе [166].
Физические ограничения
135
Для приборов и компонентов, рассматриваемых в данной
книге, Тс составляет обычно несколько микросекунд, и, следо-
вательно, для систем, работающих на частотах несколько мега-
герц, шум детектирования определяется шумом сопротивления
RS1 а шумом сопротивления Rp можно пренебречь. Полагая, что
весовая функция имеет треугольную форму с шириной основа-
ния, равной тактовому периоду ТСц а входная функция является
6-функцией, получаем, что вклад последовательных источников
флуктуаций заряда равен [164]
^n = 8kTRsCyTcl.	(4.87)
Выражение для среднеквадратичного числа «шумовых» элек-
тронов при комнатной температуре может быть записано в виде
ns = 8,8iinCTfy,	(4.88)
где Ст измеряется в пикофарадах (пФ), Jc — в мегагерцах (МГц)
и йп в нановольтах на корень квадратный из герца (нВ/д/Гц).
Это выражение подчеркивает важность малого шума ип после-
довательных источников и малой полной емкости считывающе-
го устройства. Типичными характеристиками хороших дискрет-
ных малошумящих переходов полевого транзистора типа
2N 4416 являются ип = 1,4 нВ • Гц~1/2 и СгП = 3,5 пФ, что для
тактовой частоты 1 МГц должно приводить к 44 «шумовым»
электронам.
Значительно меньшие значения Ст могут быть достигнуты
с помощью усилителей, выполненных на одном кристалле с
прибором. Обычно некоторая заданная емкость Cd + Cs связы-
вается с детектирующим узлом (фиг. 4.26, а), а входную ем-
кость Сгп усиливающего полевого транзистора можно изменить
при конструировании. Для того чтобы найти оптимальную ве-
личину С{П)Ор1, необходимо учитывать, что, с одной стороны,
gm растет с увеличением С\-п при данной конструкции полевого
транзистора, а с другой — шум на выходе также растет, как
корень квадратный из поскольку для полевых транзисто-
ров [167]
Rsgm = Q,7-	(4.89)
Поэтому следует минимизировать выражение (Сг-П + Cd
+ Cs)l^gm и найти оптимальную величину для Сгп:
с in, Opt = CD + С	(4.90)
В усилителе с плавающим затвором, выполненном на одном
кристалле с прибором ППЗ, Ст должна быть меньше 0,1 пФ.
Полагая для затвора усилителя L = 8 мкм, W = 20 мкм и
136
Глава 4
толщину слоя двуокиси кремния 100 нм, а также самосогласо-
ванность истока и стока, можно ожидать, что gm ~ 0,25 мА/В
при напряжении на затворе 5 В. Из выражений (4.84) и (4.89)
нетрудно оценить, что в этом случае пге = 7 нВ-Гц~1/2. Под-
ставляя эти данные в выражение (4.88), получаем, что тепло-
вой шум последовательных источников шума на выходном
усилителе при комнатной температуре и тактовой частоте
1 МГц соответствует 6 «шумовым» электронам. Эта величина
получена при согласованной фильтрации с трапецеидальной
весовой функцией и восстановлении нуля, однако при этом шу-
мом 1/f на затворе МОП-транзистора пренебрегали. Шумовой
предел может быть еще снижен за счет дальнейшего уменьше-
ния емкости Ст или за счет охлаждения прибора. В реальных
приборах, кроме того, возникает дополнительный шум, обуслов-
ленный прохождением через емкостную связь флуктуаций на-
пряжения тактового питания, если не используется дифферен-
циальный вход или другие схемы подавления.
Эти способы подавления шума до сих пор не применялись
в ППЗ, и поэтому экспериментально найдено, что шум в ППЗ
составляет по крайней мере 100 «шумовых» электронов на
зарядовый пакет. Следует отметить, что наличие емкостной
связи, которая в случае малых зарядовых пакетов может обу-
словливать помехи, существенно превышающие сигналы, за-
трудняет использование необходимого дифференцирования и
техники восстановления на постоянном токе. Кроме того, в
приближении, описанном выше, сопротивление Rf и емкость
Cf обратной связи определяются узлом детектирования. Для
того чтобы устранить дополнительную емкость, обусловленную
связью с внешними элементами, сопротивление Rf и емкость
С/ должны быть выполнены на отдельном кристалле. Решение
этой задачи не представляет • большого труда для значений
емкости меньше 0,1 пФ, однако значительные трудности возни-
кают при реализации требуемого большого малошумящего
сопротивления с большим диапазоном линейности. Тем не ме-
нее приведенные выше оценки следует считать теоретическим
пределом для отдельного усилителя.
Двойная коррелированная выборка
В приборах со стробируемым интегратором, выполненным
на том же кристалле, шум на выходе определяется шумом ус-
тановки потенциала узла детектирования (уравнение (4.68)).
В приборах с широким каналом, имеющих Ст = 0,7 пФ, этот
шум приблизительно равен 330 электронам [97, 98]. Кроме то-
го, он может даже превышать это значение из-за наводок так-
тового питания через емкостную связь. Использование допол-
Физические ограничения
137
нительного регистра, вырабатывающего синфазную помеху, и
дифференциального усилителя должно обеспечить достаточную
корреляцию для снижения шума этой связи.
Шум установки потенциала детектирующего узла, с другой
стороны, может быть значительно уменьшен за счет использо-
вания двойной коррелированной выборки, как описано в гл. 3,
разд. 3.2 (фиг. 3.16). В этом случае передаточная функция Т
может быть записана в виде [10]
W) =	,	(4.91)
где gA — усиление по постоянному току в цепи усилителя;
В а — ширина его полосы и Ts — интервал сравнения. Для ин-
тервала TSf равного половине тактового периода l/fc, переда-
точная функция равна 0 для f = 0 и для всех четных гармоник
тактовой частоты. То, что передаточная функция равна 0 при
f = 0, приводит к подавлению шума 1/f и дрейфа порогового
напряжения. Однако в отличие от фильтра, реализующего
оптимальный процесс обработки сигналов, максимум отклика
фильтра не появляется при шуме угловой частоты, а действи-
тельная величина сигнала получается путем вычитания резуль-
татов двух измерений, что ведет к уменьшению отношения сиг-
нал/шум в д/2- Наилучшие значения с помощью этого метода
были получены на 64-элементной линейке приемника изобра-
жения с Ст = 0,25 пФ, работавшего при fc = 50 кГц. Полный
шум детектирования в этих измерениях равнялся 135 электро-
нам [Ю1].
Усилители с плавающим затвором
Меньший шум можно получить на усилителе с плавающим
затвором (фиг. 3.14), так как полная емкость узла детектиро-
вания в нем мала, и поэтому шум установки потенциала этого
узла отсутствует. Изменение напряжения AVfg на плавающем
затворе с сигнальным зарядом Qs равно
= CSCP + Cd(Cs + Ср)	<4-92)
где С8 — емкость слоя, отделяющего сигнальный заряд от пла-
вающего затвора; Q— емкость обедненного слоя под затво-
ром, а СР — сумма всех пассивных емкостей между плавающим
затвором и подложкой или другими электродами. При этом
экспериментально была получена весьма большая чувствитель-
ность, равная 3,5 мкВ/электрон [102 103]. Изменение напряже-
ния AVfg можно использовать для модуляции тока Id усили-
вающего МОП-транзистора с полной проводимостью gm. Если
138
Глава 4
ток ID интегрируется в течение времени приток заряда в
приближении малого сигнала равен
gQ = -dfr	(4-93)
Большое усиление (~103) может быть легко достигнуто уже
на этом первом этапе. Для получения наилучших рабочих
характеристик усиливающий МОП-транзистор обычно должен
работать при очень малых токах стока, близких к границе диа-
пазона, в котором ток стока экспоненциально возрастает с
напряжением на плавающем затворе [103]. В этом режиме
основной шум на данной стадии усиления обусловлен дробо-
вым шумом тока стока Id, который течет в потенциальную яму,
интегрирующую усиленный сигнал. Выражение для этого шума
имеет вид (в «шумовых» электронах)
(4.94)
Используя выражение (4.93), получаем отношение мощностей
сигнал/шум
S/N = Q2 (dVpo/dQsy g^mqt./ID,	(4.95)
т. е, число «шумовых» электронов, отнесенных ко входу, равно
nsi =	(4.96)
Используя эти формулы и полагая dVFGldQs = 3,5 мкВ/элек-
трон, gm = 0,25 мА/B, Id = 1 мА и ti = 30 нс, получаем, что
этот шум, отнесенный ко входу, составляет примерно 3 «шумо-
вых» электрона. Этот шум добавляется к тепловому шуму и
шуму вида 1/f в канале МОП-транзистора.
Использование нескольких распределенных усилителей с
плавающим затвором уже описано в гл. 3, разд. 3.2. Измерен-
ный шум в 12-каскадном распределенном усилителе с плаваю-
щим затвором при тактовой частоте 1 МГц и комнатной темпе-
ратуре соответствует приблизительно 10—20 «шумовым»_ элек-
тронам в сигнале [168, 104]. Из-за улучшения в ]/12 раз,
которое теоретически возникает из-за того, что усилитель имеет
12 каскадов, шум в отдельном каскаде равен примерно 50 шу-
мовым электронам. Время инжекции было выбрано таким,
чтобы можно было считать, что скорость выборки возрастает
без изменения сигнала или уровня шума примерно до 7 МГц.
В этом предположении величина шума должна быть значитель-
но ближе к тем предельным значениям, которые были получены
Физические ограничения
139
из выражений (4.88) и (4.96). Эти результаты позволяют пред-
положить, что полностью распределенный усилитель с плаваю-
щим затвором с достаточным числом каскадов окажется в
состоянии детектировать единичный электрон при соответствую-
щем охлаждении прибора. Следует, однако, отметить, что имею-
щиеся конструкции усилителей очень чувствительны к измене-
нию постоянного напряжения на плавающем затворе. Поэтому
на плавающий затвор следует подавать весьма стабилизиро-
ванное напряжение или же должны быть использованы нечув-
ствительные к дрейфу постоянного напряжения методы инжек-
ции заряда в добавочный регистр.
4.	ЛИНЕЙНОСТЬ
Важнейшим требованием, предъявляемым к любым компо-
нентам электронных цепей, используемым в аналоговых устрой-
ствах, является линейность их характеристик. Это же требова-
ние относится и к характеристикам ППЗ, применяемых в
устройствах обработки сигналов и в приемниках изображения.
Возможные источники нелинейности и пути минимизации их
влияния на характеристики приборов рассмотрены в этом
разделе.
4.1.	ПЕРЕНОС ЗАРЯДА
В разд. 2 уже говорилось о том, что за счет выбора соот-
ветствующей конструкции и режима работы ППЗ потери заряда
можно сделать пропорциональными сигнальному заряду Qs.
При этом неэффективность переноса вносит только линейные
искажения, затухание и дисперсию сигналов с амплитудой, из-
меняющейся по синусоидальному закону, и, следовательно, не
будет приводить к появлению высших гармоник. Поэтому не-
линейностью, обусловленной переносом зарядовых пакетов,
можно пренебречь по сравнению с нелинейностью, вносимой
инжектирующими устройствами и детектирующими узлами.
4.2.	ОПТИЧЕСКАЯ ИНЖЕКЦИЯ ЗАРЯДА
В приемниках изображения зарядовые пакеты порождаются
внешним потоком фотонов. В идеальном случае каждый фотон,
поглощенный в объеме кремния, будет генерировать неосновной
носитель, который затем попадает в ближайшую потенциаль-
ную яму. Если в потенциальные ямы всегда собирается одна и
та же постоянная доля генерируемых светом носителей, харак-
теристики прибора будут линейны вплоть до предела, обуслов-
ленного насыщением ямы. В реальном приборе эта доля может
140
Глава 4
изменяться, поскольку область обеднения, окружающая накап-
ливающий электрод, уменьшается по мере заполнения потен-
циальной ямы. В большинстве приборов, однако, отклонения от
линейности очень малы [101]. Так, например, сообщалось [169],
что эти отклонения составляют менее 0,3%.
4.3.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИНЖЕКЦИЯ ЗАРЯДА
При электрической инжекции заряда получение высокой ли-
нейности является более трудной задачей. В схеме с динами-
ческой токовой инжекцией (фиг. 3.10, а) отклонения от линей-
ности в основном обусловлены характеристиками входного
затвора. Их в принципе можно существенно уменьшить с по-
мощью инжекции сигнального заряда во входной диод, на ис-
ток которого с отдельного источника подается импульсное на-
пряжение. Отклонения от линейности чувствительности входа
по напряжению для «метода отсечки диода» (фиг. 3.12,6) оп-
ределяются изменением емкости обедненной области измери-
тельной потенциальной ямы и влиянием перераспределения за-
ряда при его возвращении из-под отсекающего затвора.
Методы уравнивания потенциалов или восстановления за-
ряда [92, 96, 99] обеспечивают значительно большую линей-
ность характеристик входа. В идеальном случае заряд, возвра-
щенный в измерительную потенциальную яму (Р2 или G2) за
потенциальным барьером, созданным первым электродом G1,
равен
Qs = (У G2 — VGl) ^G2^oxt	(4.97)
где AG2 — активная площадь измерительного электрода и С0¥—
удельная емкость слоя окисла (постоянная для всех электро-
дов). Однако простейшая реализация этого метода [96], состоя-
щая в том, что измерительная яма создается под электродом
переноса, на который подается импульсное напряжение
(фиг. 3.12,в), обладает тем недостатком, что на заряд сигнала
накладывается полный шум тактового питания. Кроме того, не-
которые нелинейности возникают из-за изменений в конфигу-
рации тянущих полей, зависящих от величины сигнала и, сле-
довательно, от изменения равновесия потенциалов, или из-за
различий в толщине слоя окисла под затвором, если имеются
различия в толщине слоя окисла под обоими электродами.
В схеме на фиг. 3.12, а эти явления в первом порядке исчеза-
ют, поскольку входной затвор поддерживается всегда при по-
стоянном напряжении.
Измерения степени линейности передаточной функции были
выполнены [92, 99] на трехфазных ПЗС с перекрывающимися
поликремниевыми электродами. Сначала были проведены из-
Физические ограничения
141
мерения передаточной функции для обоих вариантов метода
уравнивания потенциалов для случая постоянных напряжений
на линии задержки, содержащей 256 ячеек и работающей при
Фиг. 4.27. Входные передаточные функции для нескольких вариантов метода
уравнивания потенциалов ПЗС с поверхностным каналом. Входной сигнал
подается на электрод G1 (или G2), а на электрод G2 или (G1) подается либо
импульсное (а), либо постоянное напряжение (б, в) [99].
частоте 1 МГц, что дало' возможность определить максималь-
ный диапазон линейности входных сигналов и передаточной
функции. Эти результаты представлены на фиг. 4.27. Затем
синусоидальные колебания с частотой 10 кГц подавались по
очереди на электроды G1 и G2. Расстояние от одного пика
амплитуды до другого было выбрано равным половине макси-
мального диапазона линейности входных сигналов, а постоян-
ное напряжение изменялось по всему диапазону за счет сдвига
142
Глава 4
сигнала. Линейность при этом определялась по измерениям
амплитуд первой (fi), второй (f2) и третьей (f3) гармоник, ко-
торые представлены как функции постоянного сдвига входного
Фиг. 4.2S. Первая, вторая и третья гармоники в выходном сигнале ПЗС
с поверхностным каналом при работе по двум вариантам метода уравнивания
потенциалов, соответствующим фиг. 3.12 (в) и (а) [99].
сигнала (фиг. 4.28) для прибора с электродами шириной
10 мкм и шириной канала 180 мкм. Более высокие четные и
нечетные гармоники обычно были по крайней мере в 10 раз
меньше второй и третьей гармоник соответственно, и поэтому
ими пренебрегали. В обеих крайних точках диапазона генери-
руемые гармоники резко возрастают. Между этими точками вы-
бирается интервал постоянного сдвига входного сигнала, состав-
ляющий 74 полного рабочего диапазона и в котором отклонения
Физические ограничения
143
от линейности минимальны даже в наихудшем случае (штрихо-
вые линии на фиг. 4.28). Такой диапазон выбран для того, что-
бы на верхнем пределе сигналы с амплитудой от пика до пика,
достигающей половины входного диапазона, находились внутри
интервала напряжений, равного 3/4 диапазона линейности вход-
ных сигналов.
Сравнение результатов в левой и правой частях фиг. 4.28
показывает, что предпочтительнее подавать сигнал на электрод
G2, а постоянное смещение — на G1. Из других результатов
следует, что при использовании меньших ям, т. е. электродов
шириной 5 мкм и канала шириной 20 мкм, влияние тянущих по-
лей возрастает, а следовательно, возрастают и отклонения от
линейности примерно на 6 дБ в обоих режимах. И наоборот,
один из способов улучшения линейности характеристик входа
состоит в использовании больших, но более мелких измери-
тельных ям, что уменьшает тянущие поля и флуктуации на-
пряжения, необходимого для удерживания зарядового пакета.
Найдено, что увеличение площади измерительного электрода в
2 раза должно уменьшить отклонения от линейности примерно
на 12 дБ. Экстраполяция этих экспериментальных данных ука-
зывает на возможность снижения второй и третьей гармоник
на 60 дБ по сравнению с основной гармоникой [92, 99]. Однако
слишком большие размеры электродов приводят к значитель-
ному ухудшению рабочих характеристик прибора на высоких
частотах и увеличению шума входа (разд. 3.3).
При приближении частоты сигнала к пределу Найквиста,
равному половине тактовой частоты, потенциал на входном
затворе сильно изменяется во время измерения заряда. Изме-
рительная яма будет в принципе всегда возвращать заряд, со-
ответствующий ее минимальному размеру за время измерения.
Для фронтов входного сигнала, имеющих конечную дли-
тельность, эффективное время измерения будет, таким
образом, изменяться на величину, равную времени, прошед-
шему от момента, когда потенциал входного диода падает ниже
потенциала под входным затвором G1, и до момента, когда
начинается процесс переноса измеряемого зарядового пакета к
последующему электроду. Из математического анализа [99] сле-
дует, что изменения эффективного времени выборки в пределах
интервала выборки А приводят в первом порядке к относитель-
ному сдвигу уровня постоянного напряжения aQ « 4Л1ТС и по-
явлению второй гармоники с амплитудой, составляющей долю
а2 ~ 4А/ЗТС от амплитуды основной гармоники (Тс — тактовый
период). На высоких частотах интервал А достигает значения
0,2 Тс, а на низких частотах это изменение эффективного вре-
мени измерения может быть сделано гораздо меньше за счет
соответствующей синхронизации зарядового пакета. Однако из
144
Глава 4
экспериментальных результатов следует, что изменения эффек-
тивного времени измерений оказываются меньше предсказывае-
мых теорией. Причина этого состоит в том, что зарядовому па-
кету требуется конечное время для достижения состояния, огра-
ниченного тепловой эмиссией. Поэтому эффективная ширина ин-
тервала выборки Л уменьшается, и при тактовых частотах
свыше 100 кГц инжектированный зарядовый пакет соответ-
ствует динамическому усреднению изменяющегося входного
сигнала.
4.4.	ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЗАРЯДА
Для предусилителей с внутренней или внешней обратной
связью, выполненных отдельно от самого прибора, без особых
проблем удается получить лучшую линейность характеристик,
чем та, которая достигается на входе ППЗ. С усилителями, вы-
полненными на одном кристалле с прибором, возникает больше
проблем, особенно в тех случаях, когда можно применять только
один тип (/г-канальный или р-канальный) МОП-транзистора.
Первый источник искажения сигнала находится в самом
узле детектирования. Нелинейное слагаемое возникает из-за
изменения емкости обедненного слоя вокруг чувствительного
диода или потенциальной ямы, в которой заряд должен детек-
тироваться. Влияние емкости обедненного слоя можно умень-
шить, если использовать подложки из более высокоомного
материала, уменьшить размеры чувствительного диода и нагру-
зить узел детектирования на постоянную емкость, превышаю-
щую емкость обедненного слоя. Легче всего достичь этого за
счет увеличения ширины канала чувствительного МОП-транзи-
стора, что приводит к увеличению его полной проводимости и
уменьшению его выходного импеданса. Это также уменьшает
амплитуду колебаний сигнального напряжения на затворе, а
следовательно, и используемую часть рабочей характеристики.
Те же соображения справедливы и для усилителя с плаваю-
щим затвором. Изменение напряжения AVS в зависимости от
сигнального заряда AQS определяется выражением
Д Vs = AQS CsCp + (Css+ Ср) Cd •	(4.98)
Если подложка изготовлена из высокоомного материала, изме-
нения Cd в некотором диапазоне AVS обычно достаточно малы,
поэтому ими можно пренебречь по сравнению с Cs или Ср.
Емкости Cs и Ср, если в этом возникнет необходимость, можно
произвольно увеличить, но это приведет к возрастанию шума.
До сих пор предпринимались лишь слабые попытки исправ-
ления или выравнивания остаточных нелинейностей во вход-
ной и выходной цепях. Однако такие попытки могут оказаться
Физические ограничения
145
просто необходимыми в некоторых задачах, где требуется осо-
бая точность аналоговой обработки информации; в результате
будут созданы приборы, передаточные функции которых ли-
нейны с высокой точностью.
5.	ТЕМНОВОЙ ТОК
Ограничение памяти в приборах с переносом заряда воз-
никает вследствие сглаживания со временем запасенной инфор-
мации. Причина этого состоит в накоплении дополнительных
носителей, создаваемых центрами тепловой генерации в объеме
полупроводника и на границе кремний — двуокись кремния.
Наличие темнового тока иллюстрируется фиг. 4.29 для случая,
когда прибор, в котором первоначально отсутствовал заряд,
собирает заряд в темноте в течение многих миллисекунд, а за-
тем накопленные заряды быстро считываются с него. Можно
заметить, что этот заряд, возникающий в результате темновой
генерации, не только заряжает емкость, отведенную для на-
копления сигнального заряда, но он также пространственно
неоднороден и, следовательно, вносит постоянный профиль
шума. Кроме того, генерация — случайный процесс и вносит в
каждый пакет «белый шум» (разд. 3.2). В ППЗ существует
несколько источников темнового тока [22, 170], и мы рассмот-
рим их по порядку.
5.1.	ИСТОЧНИКИ ТЕМНОВОГО ТОКА
Нижний предел темнового тока определяется внутренними
межзонными переходами электронов из валентной зоны в зону
проводимости в обедненной кремниевой подложке. Относитель-
но малую вероятность этого процесса можно оценить, исходя из
концентрации носителей щ и времени жизни носителей Хг в
собственном материале. Поскольку в равновесии темп генера-
ции равен темпу рекомбинации, собственный темп генерации
Ui в кремнии определяется выражением
м.
Ui = ~-	(4.99)
ч
Другой источник темнового тока, также довольно слабый,
связан с диффузией неосновных носителей из нейтрального
объема. Для того чтобы вычислить величину этого вклада, мы
предположим, что время жизни неосновных носителей хп мень-
ше идеальной собственной величины тг-, что в общем случае
соответствует реальным ситуациям. В материале /7-типа, в ко-
тором число дырок равно NAf темп генерации электронов Ub
a
S
Фиг. 4.29. Распределение темнового тока в линейном ПЗС, интегрированное
цо времени до 0,1 с (а) и до 1 с (б). На фоне шума видны несколько от-
дельных пиков темнового тока.
Физические ограничения
147
описывается выражением
и^ТГ^-	(4.100)
Собираться под накапливающим электродом будут только те
носители, которые генерируются на расстоянии от обедненной
области, не превышающем диффузионную длину, так что плот-
ность темнового тока /ь, вытекающего из нейтрального объема,
равна
2
ЦП;
Ib = ^-L-Ln,	(4.101)
а поскольку Ln = (£)тп)'/2 = (nrnkT/q)'^, то
(4.102)
Наиболее значительным источником темнового тока являет-
ся генерация носителей рекомбинационно-генерационными цент-
рами в обедненной области кремния ППЗ. Темп этой генерации
описывается выражением
1 п.
<4J03>
где тп — эффективное время жизни неосновных носителей,
равное
тп = (<тЛл^)-1-	(4.104)
Здесь Nt — плотность объемных ловушек с энергией, лежащей
в середине запрещенной зоны; оь — их сечение захвата и Vth —
тепловая скорость электронов. Генерационный ток Ig в обед-
ненной области шириной Xd можно записать в виде
1 п.х.
(4.106)
ИЛИ
=	(4.106)
Так же как и генерация носителей объемными ловушками,
вклад в темновой ток будут давать процессы рекомбинации и
генерации поверхностными состояниями в середине запрещен-
ной зоны. Полагая плотность состояний Nss в запрещенной
зоне однородной, получаем для темпа генерации Us
Us = ^niCsvthnkTNss,	(4.107)
148
Глава 4
где энергия kT измеряется в электронвольтах, а os— сечение
захвата на поверхностные состояния. Поэтому поверхностный
темновой ток в отсутствие инверсионного заряда равен
4 = у Q^s:VthnkTNss = 10~3crsyM.	(4.108)
Следует кратко упомянуть и два других эффекта, которые
влияют на величину заряда, запасаемого в потенциальных
ямах. Во-первых, утечки в канал переноса заряда могут воз-
никать из паразитных каналов под толстым слоем окисла или
из областей, ограничивающих канал, если порог в этих обла-
стях недостаточно высок. Во-вторых, утечки могут быть обус-
ловлены отрицательным темновым током, возникающим из-за
невысокого качества диэлектрика под затвором.
5.2.	ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМНОВОГО ТОКА ОТ ВРЕМЕНИ
Важным фактором, влияющим на темп рекомбинации через
поверхностные или объемные состояния, находящиеся в сере-
дине запрещенной зоны, является предыстория этих состояний.
Если зарядовый пакет заполнил эти состояния электронами не-
давно, то, до тех пор пока эти состояния не «выбросят» элект-
роны в зону проводимости, на эти состояния не могут больше
захватываться электроны из валентной зоны. В большинстве ре-
жимов работы прибора в первую очередь следует рассматривать
влияние этих захваченных электронов на неэффективность пере-
носа, а не на темновой ток, поскольку они были захвачены из
предыдущего сигнального пакета. Следовательно, для любых
поверхностных состояний, находящихся в середине запрещенной
зоны, после взаимодействия с зарядовым пакетом существует
некоторое «мертвое» время, перед тем как эти состояния смогут
генерировать темновой ток в максимальном темпе [171]. Эмис-
сия захваченных носителей уже описывалась уравнением Шок-
ли— Рида — Холла (уравнение (4.56)). С помощью этого урав-
нения на фиг. 4.30, а представлен график парциальной степени
заполнения состояний как функции энергии для различных зна-
чений истекшего времени при сечении захвата 5-Ю-16 см2.
Темп поверхностной генерации описывается выражением
Eg
us (0 = J OpVihNvNss [1 — (.tiss/Nss)] exp (E — EJkT) dE, (4.109)
0
где nss/NSs — доля заполненных поверхностных состояний при
некоторой данной энергии; <зр — сечение захвата дырок и —
эффективная плотность состояний вблизи потолка валентной
зоны. Аналогичное выражение можно написать и для объемных
Физические ограничения
149
Фиг. 4.30. Зависимость степени заполнения поверхностных состояний для раз-
личных промежутков времени, прошедших с момента ухода зарядового па-
кета, от энергии Е (энергия измеряется в единицах кТ и отсчитывается от
края зоны проводимости) (а) и зависимость темпа генерации U8 и полного
накопленного заряда темнового тока от времени (б) [171].
состояний, заполненных сигнальным зарядом. Зависимость
темпа генерации Us(t) от времени при оп = вр = 5• 10“16 см2 и
Nss;= 1010 см^-эВ^1 приведена на фиг. 4.30,6, где также дана
временная зависимость заряда Q^, накапливаемого от этого
источника. Как видно из кривой, темп генерации достигает
150
Глава 4
максимального значения только по прошествии 20 мс, что со-
гласуется с экспериментальными наблюдениями [171]. Следова-
тельно поверхностная генерация может быть существенно
уменьшена при работе ПЗС с поверхностным каналом в режиме
непрерывного переноса на частотах, превышающих 1 кГц, или
в устройствах преобразования изображения, в которых времена
накопления обычно не превышают 16 мс.
5.3.	ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТЕМНОВОГО ТОКА
Оценим значения темнового тока, который можно ожидать
от различных источников. Для сравнения укажем, что для
среднего темнового тока 40 нА/см2 время накопления или время
установления теплового равновесия для МОП-конденсатора с
толщиной слоя окисла 150 нм при напряжении 10 В равно 10 с.
Однако в реальных ППЗ в различных местах вдоль прибора
темп генерации изменяется в зависимости от ширины обеднен-
ной области, величины сигнального заряда и режима работы при-
бора, поэтому любой конкретный случай следует рассматривать
отдельно. Приведем несколько типичных значений для сравне-
ния. При данных rii = 1,6-1010 см-3, Тг = 2,5-10~3 с [22] и ши-
рине обедненного слоя Ха плотность собственного тока генера-
ции Ц на единицу площади обедненного кремния при комнат-
ной температуре определяется уравнением (4.99) и равна
It = q^-xd = Q,\xd нк/см2,
где Xd измеряется в микрометрах.
Плотность тока Д возрастает с шириной обедненной области
Xd, которая обычно изменяется в диапазоне 1—5 мкм в зависи-
мости от степени легирования подложки, тактового напряжения
и сигнального заряда.
Используя выражение (4.104) при подвижности электронов
ц = 1200 см2/В-с, концентрации примеси NA = 5-Ю14 см~3 и
эффективном времени жизни хп = 10-4 с, можно найти, что плот-
ность темнового тока 1ъ, вытекающего из нейтрального объема,
имеет пренебрежимо малое значение
1Ь = 0,05 нА/см2.
Темп объемной генерации — наиболее неопределенная ком-
понента темнового тока, поскольку число дефектов и примесей
в кремнии может изменяться в широких пределах от прибора к
прибору или даже в разных местах одного и того же прибора.
Используя типичные параметры кремния и полагая эффектив-
ное сечение захвата ловушками оь = 2-10~16 см2, получаем, что
Физические ограничения
151
объемный темновой ток в соответствии с выражениями (4.105)
и (4.106) равен
1е = 1,3 • 10“4^- нА/см2,
ИЛИ
/g=2,8- I0~,3xdA/f нА/см2,
где xd измеряется в микрометрах, a Nt в см~3.
Для хороших образцов кремния с временем жизни тп =
= 100 мкс (TVf = 5-1012 см-3) эта компонента равна
Ig = 1нА/см2.
Основная неопределенность при оценке плотности тока по-
верхностной генерации по формуле (4.108) возникает из-за ве-
личины 0's. Из измерений проводимости МОП-конденсаторов
следует, что значения as лежат в диапазоне 10-14—10~16 см2.
Плотность состояний tVss может изменяться от 109 см-2-эВ”1 и
вплоть до значений, превышающих 1011 см“2-эВ-1 в зависи-
мости от типа кремния, типа окисления и используемых термо-
обработок. Кристаллы кремния с ориентацией поверхности
(10 0) имеют гораздо меньшую плотность поверхностных со-
стояний, чем с ориентацией поверхности (1 1 1), и поэтому их
обычно предпочитают использовать для изготовления ПЗС. По-
лагая (js = 10~15 см2 и AAs = Ю10 см“2-эВ-1, получаем, что пол-
ная плотность тока генерации поверхностными состояниями
должна равняться
Is = 10 нА/см2.
Как уже отмечалось выше, это значение плотности тока зависит
от времени и уменьшается до гораздо меньших значений при
наличии инверсионного заряда.
5.4.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
УМЕНЬШЕНИЯ ТЕМНОВОГО ТОКА
Мы рассмотрели некоторые вопросы теории темнового тока
и получили несколько типичных параметров, характеризующих
темновой ток в ППЗ. В большинстве случаев основной является
генерация объемными ловушками. Уже были получены плот-
ности тока столь малые, как 5 нА/см2 при комнатной темпера-
туре, однако во многих приборах некоторые ячейки могут иметь
локальные темновые токи с плотностью в несколько сот нано-
ампер на квадратный сантиметр. Столь высокие значения тем-
нового тока могут быть обусловлены некоторыми примесями
в объеме, создающими необходимые рекомбинационные центры
в середине запрещенной зоны. Эти примеси находятся как в
152
Глава 4
исходном материале, так и вводятся во время процессов, не-
обходимых для изготовления ППЗ. Если концентрация этих
примесей в объеме кремния высока, то эти центры можно уда-
лить с помощью высокотемпературного «геттерирующего про-
цесса» с использованием легированного фосфором слоя на
тыльной стороне подложки. Однако вполне вероятно, что эти
примеси собираются вблизи дислокаций и скоплений дефектов,
которые генерируются около поверхности подложки во время
высокотемпературных процессов. Следовательно, успешное, с
целью уменьшения темнового тока, согласование технологиче-
ских процессов должно минимизировать как генерацию кри-
сталлических дефектов на поверхности подложки, так и вве-
дение примесей в подложку. Некоторые результаты были пред-
ставлены в работе [172].
6.	МОЩНОСТЬ
Другой особенностью ППЗ, существенной при их использо-
вании в устройствах цифровой памяти, является малая вели-
чина мощности1), рассеиваемой в этих приборах. В них отсут-
ствуют постоянные токи и мощность практически не потреб-
ляется во время хранения зарядовых пакетов в потенциальных
ямах. Однако, поскольку время хранения заряда в ППЗ отно-
сительно мало, информацию необходимо постоянно обновлять,
а на это расходуется мощность. Вследствие движения основ-
ных носителей в объеме кремния во время переноса расходует-
ся небольшая мощность. Большая часть мощности при этом
обычно рассеивается вне прибора, что обусловлено переключе-
нием напряжения тактового питания на электродах переноса.
6.1.	МОЩНОСТЬ, РАССЕИВАЕМАЯ В ПРИБОРЕ
При движении носителей в кремнии потребляется активная
мощность, расходуемая на взаимодействие между носителями
и решеткой. Оценка нижнего предела мощности, рассеиваемой
при движении самих зарядовых пакетов, может быть получена
в предположении квазистатического равновесия, если считать
ПЗС идеальным прибором с бегущей волной [150], в котором
носители непрерывно движутся вдоль канала вместе с распре-
делением потенциала, имеющим вид бегущей волны. При этом
предполагается, что все носители движутся вдоль эквипотен-
0 Расчет рассеиваемой в ПЗС мощности и возникающего при этом пере-
грева см. в работе Е. А. Власенко, Р. А. Сурис, Б. И. Фукс, Тепловой предел
степени интеграции фотопреобразователей на ПЗС, сб. «Микроэлектроника и
полупроводниковые приборы», вып. 2, М., изд-во «Советское радио», 223—229
(1977). — Прим, ред,
Физические ограничения
153
циалей с постоянной скоростью vc, которая определяется такто-
вой частотой fc и длиной волны (или размером элемента)
К = vjfc- Тогда мощность, потребляемая зарядовым пакетом
Qs, равна
где — поверхностная подвижность неосновных носителей.
В n-канальном ПЗС с размером ячейки 30 мкм, работающем
на частоте 1 МГц, зарядовый пакет величиной 0,5 пКл будет,
таким образом, потреблять ~ 2,8 нВт/элемент. Эта величина
растет как квадрат рабочей частоты.
Даже в отсутствие сигнального заряда прибор потребляет
некоторую мощность, расходуемую на движение основных но-
сителей в объеме. Изменение ширины обедненного слоя на
величину приводит к тому, что заряд плотностью AQ =
= &Х(1Ма изменяет свое положение (NA — концентрация при-
меси в объеме). В идеальном случае, когда на прилегающие
электроды подаются согласованные импульсы, этот заряд бу-
дет перемещаться вдоль направления переноса. Заряд основ-
ных носителей будет тогда двигаться в направлении, противо-
положном направлению движения сигнального заряда. Его
величина возрастает с уменьшением сигнального заряда, и в
случае пустых потенциальных ям легко вычислить рассеивае-
мую мощность, используя выражение (4.110):
v2
PB = tedNA-±	(4.111)
В реальных приборах, однако, число фаз обычно ограничи-
вается четырьмя и приближение бегущей волны является
слишком упрощенным. Обычно тактовые импульсы производят
работу над сигнальным зарядовым пакетом во время уменьше-
ния напряжения на электроде. В этом случае дополнительная
энергия будет рассеиваться при стекании зарядового пакета со
ступеньки потенциала (фиг. 4.8, а) в более глубокую по-
тенциальную яму под прилегающим электродом. Величина
мощности, рассеиваемой зарядовым пакетом при рабочей ча-
стоте fc, определяется выражением
=	(4.112)
где р— число фаз. В двухфазных ПЗС A^s в основном опреде-
ляется высотой барьера V&, определяющего направление пере-
носа, и средним превышением напряжения Ve над барьером,
через который заряд движется во время переноса. Поэтому
уравнение (4.112) определяет максимальное значение рассеи-
ваемой мощности, поскольку сигнальный заряд будет заполнять
154
Глава 4
яму стока и таким образом уменьшать эффективную величину
ступеньки. Более точное выражение для мощности, рассеивае-
мой во время переноса сигнального заряда, имеет следую-
щий вид:
Л = 2Ш(^+	(4.113)
где Cst — емкость накопительной части электрода; Ve—-превы-
шение напряжения, которое близко к нулю при работе в ре-
жиме «выталкивающих импульсов». В качестве примера рас-
смотрим прибор, в котором высота барьера 5 В, активная пло-
щадь электрода хранения 200 мкм2 и толщина слоя двуокиси
кремния 100 нм. Расход энергии на один перенос полного па-
кета составит тогда 0,85 пДж. Для двухтактного питания с
частотой 1 МГц это приводит к потерям мощности 1,7 мкВт на
зарядовый пакет. По сравнению с этой величиной мощностью,
рассеиваемой на «трение» носителей (уравнения (4.110) и
(4.111)), можно пренебречь.
В трехфазных приборах потребление мощности может быть
значительно меньше, поскольку заряд обычно начинает пере-
текать еще до того, как разность потенциалов между двумя
прилегающими электродами достигнет максимального значения.
Поэтому заряды движутся в области с меньшей разностью по-
тенциалов, и в пределе при соответствующей форме тактовых
импульсов возникает ситуация, близкая к квазистатическому
равновесию (как в случае бегущей волны), когда рассеиваемая
мощность минимальна (уравнение (4.101)).
6.2.	РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ
Во время каждого тактового цикла при зарядке и разрядке
эффективной емкости электродов переноса протекают большие
токи. Мощность, потребляемая этими процессами, в основном
реактивная, и поэтому рассеиваемая мощность в данном случае
будет зависеть от используемой электрической цепи.
Для минимизации потерь мощности ППЗ можно включить
в АС-цепь с большой добротностью. Однако до сих пор ППЗ
в основном работали лишь с переключательными транзистора-
ми без реактивных элементов. В такой схеме реактивная мощ-
ность будет в основном рассеиваться при ее перекачке. В иде-
ализированной цепи, показанной на фиг. 4.31, а, энергия,
рассеиваемая при зарядке и разрядке, равна CV2P. Следова-
тельно, при работе на тактовой частоте fc рассеиваемая
мощность определяется выражением
Pc = fcCV2.	(4.114)
Физические ограничения
155
Для ПЗС, рассмотренного в предыдущем примере, эта вели-
чина составляет 17 мкВт на ячейку при тактовой частоте 1 МГц.
На практике такую схему можно реализовать на основе
комплементарного пушпульного блока (фиг. 4.31,6) или еще
проще на одном эмиттерном повторителе (фиг. 4.31, в). По-
следняя схема наиболее выгодна, если требуется меньшая кру-
тизна фронтов тактовых импульсов. Однако эта схема с дис-
кретными элементами и с соответствующими размерами, даю-
щими хорошие импульсы на рабочей частоте, требует обычно
а	6	6
Фиг. 4.31. Управляющие каскады для цепи тактового питания ППЗ, (а) прин-
ципиальная схема переключающей цепи, (б) ее реализация на комплементар-
ном пушпульном каскаде и (в) ее реализация на одном эмиттерном повто-
рителе.
примерно в 3 раза больше мощности, чем указано в выражении
(4.114), в то время как потребление мощности пушпульным
блоком близко к теоретической величине.
Во многих применениях, в которых используются ППЗ
среднего или малого размеров (в несколько сотен ячеек и
меньше), потребление мощности внешними логическими цепя-
ми, выполненными на том же кристалле или вне его, и мощ-
ность, запасаемая во всех каскадах, за исключением выходного,
таковы, что ими уже нельзя пренебрегать. Это следует иметь в
виду при оценке полного потребления мощности в ППЗ или в
системе, использующей ППЗ.
Глава 5
Приемники изображения на ПЗС
Разработка твердотельных приемников изображения давно
является актуальной задачей. Предполагается, что твердо-
тельные приемники будут не только занимать меньше места и
потреблять меньшую мощность, но и стоить дешевле, чем элек-
тронно-лучевые трубки. К достоинствам твердотельных прием-
ников можно также, по-видимому, отнести механическую проч-
ность, стойкость к ударам, вибрациям и электромагнитным
полям, надежность и большой срок службы. Однако до послед-
него времени результаты, получаемые при использовании твер-
дотельных приемников изображения, оставались неудовлетво-
рительными. До изобретения приборов с зарядовой связью
наиболее широко применялись матрицы фотоэлементов с коор-
динатной выборкой. Выборка отдельных элементов и считыва-
ние заряда с них производились с помощью сдвиговых регист-
ров. В работе [173] кратко изложена история развития таких
приборов и описаны многочисленные способы изготовления
фотоэлементов. Характеристики приемников изображения с
координатной выборкой ограничиваются главным образом
большой емкостью шин, на которые собираются сигналы с эле-
ментов одного столбца или даже с элементов всей матрицы.
Эта емкость ограничивает отношение сигнал/шум, достижимое
на выходе прибора. Кроме того, разные столбцы матрицы
имеют разную чувствительность к импульсным помехам, возни-
кающим при работе устройств выборки и считывания; эта
чувствительность обусловлена паразитными емкостными свя-
зями. Разброс паразитной емкостной чувствительности приво-
дит к появлению на изображении полос, т. е. геометрического
шума, который невозможно подавить фильтрацией. Тем не менее
последние разработки в области приемников изображения с
координатной выборкой, основанные на кремниевой технологии
больших интегральных схем, доведены до стадии промышлен-
ного выпуска. В их числе находятся, например, линейный прием-
ник изображения с 1024 элементами разложения [174] и ма-
тричный с инжекцией заряда размером 100X100 элементов
[175, 176].
Главное достоинство приборов с переносом заряда при ис-
пользовании их в приемниках изображения состоит в том, что
Приемники изображения на ПЗС
157
все зарядовые пакеты могут детектироваться с помощью един-
ственного выходного диода небольших размеров; во время
считывания видеоинформации на электроды переноса подаются
импульсы. В результате увеличивается отношение сигнал/шум
и улучшается однородность изображения. Из всего класса при-
боров с переносом заряда предпочтение следует отдать прибо-
рам с зарядовой связью из-за присущей им лучшей, чем в при-
борах типа пожарных цепочек, эффективности и меньших
шумов переноса. При низких уровнях освещенности ПЗС с
объемным каналом дают лучшие результаты (особенно при
охлаждении), чем ПЗС с поверхностным каналом, так как пер-
вые могут работать с меньшим шумом и меньшей неэффектив-
ностью переноса без использования фонового заряда (так на-
зываемого непустого нуля).
Твердотельные приемники изображения делятся на две
группы: линейные и двумерные. Линейные приемники содержат
один ряд фоточувствительных элементов и передают, таким
образом, одномерное изображение, например уровень жидкости
в баке или толщину проволоки во время прокатки. Для получе-
ния двумерного изображения с помощью линейного приемника
нужно применить механическое сканирование (например, вра-
щающимся зеркалом), или сканируемый объект должен пере-
мещаться относительно приемника.
Наличие лишь одного ряда фоточувствительных элементов
позволяет сделать прибор с небольшой активной площадью и
простой организацией считывания, поэтому в нем легко достичь
высокого пространственного разрешения вдоль оси прибора.
Используя механическую развертку совместно с таким прибо-
ром, можно получать изображения, содержащие несколько
миллионов разрешаемых точек.
Для обеспечения скорости смены кадров, задаваемой телеви-
зионным стандартом (25 или 30 с-1), в приемнике изображения
должно применяться электронное самосканирование по обоим
направлениям. Камера на основе упомянутой выше комбина-
ции линейного приемника и механической развертки будет не
только более громоздкой и менее надежной, но, кроме этого,
в ней время накопления элемента изображения не может пре-
высить времени, отводимого для одной строки. Современные
камеры с электронно-лучевыми трубками накапливают заряд
в течение всего времени кадра, что необходимо для получения
достаточно большого отношения сигнал/шум в условиях обыч-
ного комнатного освещения. Приемники изображения на ПЗС,
предназначенные для подобных применений, должны работать
в аналогичном режиме. Ниже рассмотрены основные схемы
организации, способы их реализации и ограничения характери-
стик линейных и двумерных приемников изображения на ПЗС;
158
Глава 5
1.	ЛИНЕЙНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
1.1.	СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ СЧИТЫВАНИЯ
Вначале твердотельные сканирующие устройства создава-
лись на бинарных сдвиговых регистрах с последовательной вы-
боркой ячеек. С помощью сканирующих устройств считывался
заряд элементов фоточувствительной линейки, состоящей из
обычных диодов (фиг. 5.1, а). Эта схема описана многими ав-
торами [177, 178, 179]. В приемниках изображения на ПЗС
производится не последовательная выборка ячеек, а созданный
светом заряд движется по каналу переноса к выходному диоду.
В простейшей конструкции носители накапливаются в самом
канале переноса [17, 32]. Во время накопления электроды пере-
носа держатся под постоянным потенциалом, так что создаются
изолированные потенциальные ямы. Для считывания на элек-
троды подаются импульсы, обеспечивающие перенос заряда.
При этом время накопления должно быть достаточно большим
по сравнению с временем считывания, чтобы избежать смазы-
вания изображения, производимого непрерывным потоком опти-
ческой информации. Этого можно также достичь, используя
механический или электронный затвор, синхронизованный с пе-
риодом считывания прибора (фиг. 5.1,6). Кроме сложности
такого затвора, в длинных приборах уменьшается время накоп-
ления, поскольку время считывания в них достигает нескольких
миллисекунд. Чрезмерного смазывания изображения можно
избежать и без затвора, если разделить канал переноса
на отдельные секции, которые имеют отдельные выходы
(фиг. 5.1, в) [32]. Однако подобную схему труднее реализовать,
так как в этом случае требуется адресный регистр для пере-
ключения считывающих импульсов с одной секции на другую;
кроме того, необходимо мультиплексирование выходов, которое
должно давать сигнал без разрывов и неоднородностей.
Схема организации прибора, пригодного для практических
целей, изображена на фиг. 5.1, а. Отдельные фоточувствитель-
ные элементы изолированы от считывающего регистра затво-
ром переноса [32]. Когда затвор открыт, все заряды, накоплен-
ные в фоточувствительных элементах (обычно в обедненных
МОП-конденсаторах), параллельно переносятся в считывающий
регистр, в котором ячейки переноса расположены напротив
каждого фоточувствительного элемента. Сразу после запира-
ния затвора в фоточувствительных элементах начинает накап-
ливаться заряд следующей строки, а ранее накопленная строка
изображения считывается с помощью регистра переноса, кото-
рый защищен от падающего света. В этом случае режим на-
копления достигает практически 100% времени цикла. Макси-
Приемники изображения на ПЗС
159
мальное число элементов разложения, которое можно получить
с помощью такого прибора, определяется полной длиной при-
бора, деленной на размер ячейки. Практически предел числа
«С&/77
A-Jgnminnnn^
Затвор
переноса
Фиг. 5.1. Схемы организации считывания в линейных приемниках изобра-
жения.
а — коммутация фотодиодов с помощью сдвигового регистра; б — ПЗС с накоплением
в канале переноса; в —ПЗС с несколькими секциями; а —ПЗС с отдельными элементами
накопления; д —билинейная организация.
элементов разложения определяется неэффективностью пере-
носа считывающего регистра. Если интегральная неэффектив-
ность переноса превышает 0,5, то на предельной частоте Най-
квиста величина частотно-контрастной характеристики дальнего
от выхода конца прибора уменьшается до 37%. Если разреше-
ние ограничено размером ячейки либо неэффективностью пере-
носа, применение билинейной конструкции, показанной на
160
Глава 5
фиг. 5.1,5, позволяет вдвое увеличить разрешение. Билиней-
ная конструкция содержит две структуры, изображенные на
фиг. 5,1, г. Эти структуры собирают заряды с двух наборов
фоточувствительных элементов, вставленных один в другой.
Сигналы от двух регистров нужно складывать в правильном
фазовом соотношении. Это легко сделать, если регистры имеют
четное число фаз [180]. Однако если используются трехфазные
регистры, то надо либо соответствующим образом сдвигать так-
товые импульсы, питающие эти регистры, либо сбрасывать
зарядовые пакеты из этих регистров в дополнительный регистр,
питаемый импульсами удвоенной частоты и осуществляющий,
таким образом, мультиплексирование [88]. Схемы организации,
показанные на фиг. 5.1, г и 5, нашли практическое применение
в приборах, которые рассмотрены в следующем разделе.
1.2.	ПРИМЕРЫ ЛИНЕЙНЫХ ПРИЕМНИКОВ
ИЗОБРАЖЕНИЯ
В первом линейном приемнике изображения, выпущенном
промышленностью, использована билинейная организация
(фиг. 5.1,5); он имеет 500 элементов разложения [88]. В считы-
вающих регистрах применен имплантированный объемный
канал с трехфазными электродами переноса, полученными се-
лективным легированием одного высокоомного слоя поликрем-
ния (фиг. 3.1,6). Длина ячейки переноса равна 60 мкм, а фото-
чувствительные элементы расположены с пространственным
периодом, равным всего лишь 30 мкм. Шины питания, контакт-
ные площадки и экран, защищающий регистры переноса от
падающего света, изготовлены из алюминия. Этот прибор
показан на фиг. 5.2. Благодаря объемному каналу он имеет
низкий уровень шумов, малую неэффективность переноса и
хороший динамический диапазон (порядка 3000:1). Качество
приемника подтверждается изображениями на фиг. 5.3, полу-
ченными в режиме медленного сканирования (примерно один
кадр в 1 с). Яркие участки изображения на фиг. 5. 3, а соот-
ветствуют освещенности 300 лк, что близко к насыщению при-
бора. Изображения на фиг. 5.3, б и в соответствуют освещен-
ности, уменьшенной в 10 и 100 раз. Картина остается ясно ви-
димой при уменьшении освещенности на два порядка. На
фиг. 5.3, г зернистость, обусловленная шумами, «забивает» детали
изображения. Если уровень освещенности был бы уменьшен в
3000 раз, сигнал от самых освещенных участков был бы той же
величины, что и разброс темновых токов, и, следовательно, был
бы достигнут нижний предел динамического диапазона.
Для создания приемника с высоким разрешением, содержа-
щим 1500 элементов, также была использована билинейная
Приемники изображения на ПЗС
161
конструкция [180]. В этом приемнике на ПЗС с поверхностным
каналом (фиг. 5.4, а) использована четырехфазная электрод-
ная структура, которая выполнена из двух слоев вольфрама,
разделенных слоем напыленного стекла (фиг. 3.2, а). Фото-
чувствительные элементы расположены с пространственным
шагом 15 мкм; это соответствует 33 парам линий на миллиметр.
Приемник позволяет получать изображения с очень высоким
разрешением и большим числом оттенков серого (фиг. 5.5а).
I
Затдор
переноса
Затдор
разрядного
транзистора
1 Сток
разрядного
транзистора
Сток
Исток
Фиг. 5.2. Линейный приемник изображения на ПЗС с объемным каналом
(500 фоточувствительных элементов расположены в одну линию) [88].
6 Зак. 816
a	5
8
Фиг. 5.3. Изображения, полученные при различных уровнях освещенности
с помощью приемника, показанного на фиг. 5.2 [88].
а— уровень освещенности вблизи насыщения; б — освещенность уменьшена в 10 раз;
в — освещенность уменьшена в 100 раз; г — освещенность уменьшена в 1000 раз.
Фиг. 5.4. Линейные приемники изображения с высоким разрешением на ПЗС
с поверхностным каналом.
а —билинейная организация, приемник содержит 1500 фотоэлементов [180]; б —линейная
организация, приемник содержит 1600 элементов разложения [44].
6*
164
Глава 5
Фиг. 5.5а. Изображение, полученное при медленном сканировании с помощью
приемника, показанного на фиг. 5.4, а.
Другой линейный приемник изображения с высоким разре-
шением [44, 156] был создан на ПЗС с трехслойной электродной
структурой из поликремния (фиг. 3.1, в). ПЗС имеет очень
маленький размер ячейки и чрезвычайно низкую неэффектив-
ность переноса. Линейный приемник на таком ПЗС (фиг. 5.4, б)
содержит один считывающий регистр, в котором каждая трех-
фазная ячейка имеет длину 16 мкм. Приемник длиной 26 мм
Приемники изображения на ПЗС
165
состоит из 1600 элементов и может передавать изображения
с четкостью, достигающей предела Найквиста (800 пар линий).
Неэффективность переноса в считывающем регистре ПЗС с по-
верхностным каналом в режиме 30%-ного непустого нуля до-
М1ДПШ1 »Ю«6
UNUM SIDING
(СГ • МО MLISMAN
:м гмсююжп
4M0QW5 AWNINGS
MlOS GWTTTiS
То find а
number fast^
\ ' Look-.,
Ж in the bobk

Фиг. 5.56. Изображение, полученное при медленном сканировании с помощью
приемника, показанного на фиг. 5.4, б.
стигала 1-Ю-5 на один перенос. На фиг. 5.56 показано изобра-
жение, полученное с помощью этого приемника; скорость счи-
тывания составляла 0,3 МГц, а размер по вертикали 2000 строк.
В том виде, в котором этот прибор существует в настоящее
время, он подходит для применения в системах с медленным
сканированием и высоким разрешением (в графических и фак-
симильных системах, системах наблюдения и спектроскопиче-
ских системах). Для получения соответствующих характеристик
166
Глава 5
описанных приемников при работе с низкими уровнями осве-
щенности надо использовать ПЗС с объемным каналом.
В работе [52] описан приемник с высоким разрешением на
ПЗС с объемным каналом с 1728 чувствительными элементами.
В нем использована билинейная конструкция с двухфазными
n-канальными считывающими регистрами, образованными
двумя слоями перекрывающихся поликремниевых электродов
на изоляторе из двуокиси кремния и нитрида кремния с само-
совмещенными имплантированными бором барьерами (анало-
гично структуре, показанной на фиг. 3.3, а). Регистры защи-
щены от света слоем алюминия, из которого сформированы
также шины питания и контактные площадки. Вся активная
область прибора окружена широким кольцом из р— п-пере-
хода, для того чтобы уменьшить миграцию паразитных носите-
лей в активную область. Неэффективность переноса менее
5-10~5 была получена при тактовой частоте 2,5 МГц и ампли-
туде тактовых импульсов, равной всего лишь 6 В.
2.	ДВУМЕРНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
2.1.	СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ СЧИТЫВАНИЯ
Как и в линейных приемниках изображения, в первых дву-
мерных приемниках применялись сдвиговые регистры для
выборки информации из матрицы фоточувствительных элемен-
тов, заряд которых считывался через диодные шины. Успехи
технологии кремниевых интегральных схем дали возможность
уменьшить полосатость изображения, присущую первым образ-
цам, и небольшие двумерные приемники для средних уровней
освещенности уже выпускаются промышленностью. Этот же
принцип координатной выборки применяется в приборах с за-
рядовой инжекцией (ПЗИ) [175, 176, 181]. Такие приборы в
принципе содержат в каждом узле х—//-матрицы пару зарядо-
во-связанных конденсаторов (фиг. 5.6, а), хранящих фотогенери-
рованные носители. Если импульсы от генераторов вертикаль-
ной и горизонтальной развертки совпадают на узлах матрицы
в правильной последовательности, то накопленный под дей-
ствием света заряд сбрасывается в подложку, и соответствую-
щий ток видеосигнала можно снимать с подложки или адрес-
ной шины. Более подробно ПЗИ описаны ниже (разд. 2.3).
В таких приборах с выборкой по осям х л у все фоточувстви-
тельные элементы могут быть опрошены в произвольной после-
довательности, если применить соответствующее декодирование
вместо обычно применяемых сдвиговых регистров.
Чтобы полностью использовать все достоинства приборов
с зарядовой связью, зарядовые пакеты должны сдвигаться к
Приемники изображения на ПЗС
167
одному выходному диоду небольших размеров. Это требова-
ние, а также тот факт, что порядок считывания информации
с прибора обычно должен соответствовать телевизионному
Затбор
Фиг. 5.6. Схемы организации считывания в двумерных приемниках изобра-
жения.
а—приборы с зарядовой инжекцией и координатной выборкой; б —ППЗ с адресным реги-
стром; в —конструкция с переносом кадра (или полукадра); а —приемник с межстрочным
переносом.
стандарту, ограничивают число возможных способов органи-
зации считывания. Кроме того, способ организации считывания
должен давать минимальное смазывание изображения, которое
возникает при переносе накопленных зарядовых пакетов через
освещенные области прибора.
Простой способ создания двумерного приемника изображе-
ния состоит в том, что линейные приемники с накоплением
168
Глава 5
заряда в каналах переноса компонуются в двумерный набор.
Этот набор снабжается цепями адресации, переключающими
тактовое питание на тот регистр, с которого считывается заряд
(фиг. 5.6,6). Данный принцип организации впервые был ис-
пользован в приемнике на пожарных цепочках размером
16X16 элементов [182, 183], а впоследствии — в приемнике с
32 строками по 44 элемента в каждой [184]. С каждой строки,
переключаемой с помощью адресного регистра на пожарных
цепочках, заряд передается в вертикальный выходной регистр.
Разумное соотношение времени накопления и времени считы-
вания в рабочем цикле каждой строки обеспечивается числом
строк в наборе. Сложность подобной организации считывания
состоит в том, что считывание каждой строки должно происхо-
дить с соответствующей задержкой, чтобы компенсировать раз-
ную величину задержки в вертикальном выходном регистре.
Схема, в которой вертикальные регистры с накоплением
заряда в каналах переноса и с общими электродами располо-
жены рядом, образуя двумерный фоточувствительный набор,
является более предпочтительной. В эту конструкцию с верти-
кальным переносом кадра [32] должна быть добавлена секция
хранения, или буферная секция, имеющая такое же число эле-
ментов, что и фоточувствительный набор (фиг. 5.6, в). Во время
обратного хода вертикальной развертки видеоконтрольного
устройства зарядовые пакеты, накопленные в регистрах фото-
чувствительного набора, быстро двигаются в секцию хранения.
После этого регистры фоточувствительного набора вновь пере-
водятся в режим накопления. За время обратного хода гори-
зонтальной развертки все зарядовые пакеты в секции хранения
сдвигаются вниз на одну строку таким образом, чтобы нижний
ряд зарядовых пакетов попал в горизонтальный выходной ре-
гистр. Затем этот ряд зарядовых пакетов сдвигается в горизон-
тальном направлении к выходному устройству, формирующему
видеосигнал. После считывания всей видеоинформации из сек-
ции хранения начинается перенос следующего кадра.
Недостаток — необходимость в дополнительной секции хра-
нения — компенсируется простотой электродной структуры и,
таким образом, возможностью формирования компактных
ячеек. Преимуществом этой схемы по сравнению со схемой с
адресацией регистров является более однородная чувствитель-
ность, что позволяет получить меньший уровень геометрического
шума. Кроме того, как будет показано в следующем разделе,
существует простой способ обеспечения чересстрочности раз-
вертки; в этом случае приемник может дать изображение с
удвоенным числом строк. Эта схема чересстрочной организации
считывания с переносом кадра была использована в ряде
приемников изображения. После первого опытного образца
Приемники изображения на ПЗС
169
размером 8X16 элементов [185] был создан приемник с
106 столбцами и 64 строками в фоточувствительном наборе и
столько же — в секции хранения [18]. В этом приемнике реали-
зована первоначальная концепция ПЗС с одним слоем металла
(вольфрама или алюминия). Свет попадал в кремний через
зазоры шириной 2,5 мкм между электродами переноса. Этот
приемник размером 106X 128 элементов был первым твердо-
тельным приемником изображения, который воспроизводил
лицо человека с приемлемым разрешением и достаточной одно-
родностью и имел небольшое число дефектов. Часть прибора
вблизи выходного диода показана на фиг. 5.7.
В работах [186, 187] описаны другие образцы таких прием-
ников (с переносом кадра, с одним слоем металла) с общим
числом элементов в фоточувствительной и накопительной
секциях 60X 90 и 160 X 256. Хотя все эти приборы и показали
удовлетворительные результаты в лабораторных условиях, они
имеют недостаток, связанный с незащищенностью узких зазоров
между электродами переноса. Неуправляемость поверхностного
потенциала в зазорах иногда приводит к нестабильной эффек-
тивности переноса. Для уменьшения этого эффекта зазоры
должны быть порядка 2 или 3 мкм, что резко снижает выход
годных приборов при использовании стандартных процессов
фотолитографии и химического травления. Одно-единственное
короткое замыкание в каком-нибудь из этих зазоров (общая
длина которых в приборе размером 106 X 128 элементов пре-
вышает 1 м) приводит к полной потере работоспособности при-
бора.
По этим причинам для построения приборов с переносом
кадра были использованы электродные структуры с защищен-
ным каналом, дающие более высокий выход годных приборов.
В разд. 2.3 описан трехфазный прибор с перекрывающимися
электродами из трех слоев поликремния [44, 45]. Первый прием-
ник, имеющий полное число линий американского телевизион-
ного стандарта, содержит 320 X 512 трехфазных ячеек, сформи-
рованных в одном слое поликремния путем селективного леги-
рования электродов [188, 189].
В других методах устранения смазывания изображения при
горизонтальном построчном считывании или в конструкции с
вертикальным переносом кадра предполагается применение
экранированных от света каналов переноса и отдельных фото-
чувствительных элементов. Конструкция с построчным горизон-
тальным считыванием может дать, по-видимому, не очень боль-
шой выигрыш; конструкция с вертикальным межстрочным счи-
тыванием (фиг. 5.6, г) обладает некоторыми достоинствами
[190, 191]. В такой конструкции функции хранения и накопления
заряда реализуются на одной и той же площади кристалла, и
Фиг. 5.7. Выходной узел двумерного приемника изображения на ПЗС с по-
верхностным каналом (106X128 чересстрочных элементов). Показаны часть
массива хранения, выходной регистр, токоведущие шины и выходной
диод [18].
Приемники изображения на ПЗС
171
перенос кадра или полукадра совершается в один прием. За-
ряд накапливается в отдельных накопительных элементах, в то
время как предыдущий полукадр сдвигается по вертикальным
каналам на один элемент во время каждого обратного хода го-
ризонтальной развертки. Приборы с вертикальным межстроч-
ным переносом можно конструировать так, чтобы они имели по
два накопительных элемента на каждую ячейку вертикальных
регистров. Как показано в разд. 2.3, заряд каждого из этих
двух элементов можно считывать в разных полукадрах, что
обеспечивает соответствие видеосигнала чересстрочному фор-
мату.
Функционирование приемников с межстрочным переносом
довольно просто, но зато усложняется конструкция ячейки и
уменьшается фоточувствительная площадь, так как каналы пе-
реноса необходимо экранировать от света. Кроме того, такая
конструкция неприменима при освещении со ,стороны подлож-
ки, так как экранирование каналов переноса становится очень
сложным из-за боковой диффузии носителей, созданных светом
в необедненном объеме. Такие приборы подробно описаны в
разд. 2.3.
2.2.	ЧЕРЕССТРОЧНАЯ РАЗВЕРТКА
Во всех телевизионных системах с непосредственным на-
блюдением изображения уменьшение видимого мерцания до-
стигается путем применения чересстрочного формата развертки
с отношением 2 : 1. В системах этого формата за период каж-
дого кадра (1/30 или 1/25 с) демонстрируются два полукадра.
Все нечетные строки составляют первый полукадр, а четные
строки, составляющие второй полукадр, вписываются между
нечетными. Твердотельные приемники изображения для совме-
стимости с существующими системами должны вырабатывать
видеосигнал стандартного формата. В конструкции с выборкой
строк число горизонтальных каналов переноса должно соответ-
ствовать числу строк полного кадра, а адресный регистр
(с вдвое меньшим числом разрядов) должен соответствующим
образом переключаться, чтобы обеспечить чересстрочную по-
следовательность считывания.
В конструкции с вертикальным переносом кадра требуется
в два раза меньше элементов, так как число рядов должно
равняться числу строк в полукадре, поскольку весь накоплен-
ный заряд полностью считывается в каждом полукадре. Видео-
информация второго чересстрочного полукадра получается элек-
тронным сдвигом центров участков накопления на половину
размера ячейки [192]; при этом видеосигнал соответствует
чересстрочному формату. В двухфазных ПЗС сдвиг достигается
172
Глава 5
формированием накопительных потенциальных ям попеременно
под электродами первой и второй фаз. Для получения соответ-
ствующего сдвига в трехфазных ПЗС полукадр А надо накап-
ливать под электродами одной фазы, а полукадр Б — под элек-
тродами сразу двух других фаз (фиг. 5.8, а и б). При этом
5
Фиг. 5.8. Поперечное сечение трехфазного приемника изображения с пере-
носом кадра и распределение потенциалов при накоплении в режиме черес-
строчного сканирования.
а —полукадр А: б —полукадр Б.
центры ям, в которых накапливается заряд, сдвигаются ровно
на половину размера ячейки, что и требуется для наилучшего
результата. Очевидно, что в нормальном режиме чувствитель-
ность полукадров одинакова, так как в обоих случаях накапли-
вается одинаковое число носителей4).
При этом способе создания чересстрочной развертки частот-
но-контрастные характеристики вертикального направления по-
лукадров лишь очень незначительно отличаются друг от друга,
однако пространственная частота передаваемого изображения
удваивается. Существенное улучшение разрешения в верти-
кальном направлении, которое можно достичь таким способом,
J) Чувствительность одинакова за счет диффузионного сбора носителей,
рожденных под «ненакапливающими» электродами, — Прим, перев.
Нечересстрочная	~ Чересстрочная
развертка	развертка
1/2/1/3 ...&
Фиг. 5.9. Воспроизведение линейчатого клина при различных режимах накоп-
ления. Заряд следующих друг за другом полукадров накапливается под
электродами, указанными под каждым изображением (1/N, 1/2, ...) [192].
174
Глава 5
демонстрируется на фиг. 5.9 [192]. Выражения 1/N, V2, ... обо-
значают электроды, под которыми накапливается заряд для
каждого из полукадров. Для получения этих изображений был
использован прибор размером 106 X 128 элементов (фиг. 5.7).
Качество изображения на фиг. 5.9, а, состоящего лишь из од-
ного полукадра, ограничивается уменьшенным числом строк
развертки. В случае псевдочересстрочной развертки (фиг. 5.9, б),
при которой заряд обоих полукадров накапливается под элек-
тродами Р1, ясно различимо удвоение всех строк. В случае
фиг. 5.9, в применена асимметричная чересстрочность при накоп-
лении под электродами Р1 и Р2, что дает некоторую неровность
краев наклонных линий. Изображение на фиг. 5.9, г получено
с помощью трехфазной электродной структуры при накоплении
в режиме 1/(2+ 3); в этом случае обеспечивается правильный
сдвиг между полукадрами (фиг. 5.8, а и б) и достигается наи-
лучшее разрешение в вертикальном направлении.
С помощью трехфазной структуры в принципе можно полу-
чить до шести различных полукадров, используя для накопле-
ния отдельно и попарно все электроды. Участки накопления
полукадров сдвигались бы при этом на одну шестую часть
длины ячейки. Однако в реальных телевизионных системах
любая чересстрочность выше 2 : 1 неприятна для глаза из-за
«дрожания» строк. Поэтому формат с удвоенной чересстроч-
ностью, который состоит из четырех полукадров, накопленных
под электродами в последовательности (V2/V3), неудобен для
непосредственного рассматривания, хотя фотография такого
изображения (фиг. 5.9,6) выглядит так же хорошо, как и фото-
графия изображения на фиг. 5.9, г.
Способ реализации чересстрочности, при котором одна
ячейка вертикального переноса используется для выработки
видеосигналов двух разных строк, является одним из главных
преимуществ конструкции с вертикальным переносом; в кон-
струкции с выборкой строк для каждой строки нужен отдель-
ный канал. В конструкции с межстрочным переносом каждая
ячейка вертикальных каналов также используется для двух
полукадров, хотя и существенно другим способом. Регистры
вертикального переноса содержат число элементов, соответ-
ствующее числу линий в полукадре, но с каждым регистром
связано вдвое большее число ячеек накопления. При работе в
чересстрочном режиме в каждом полукадре можно считывать
заряд лишь с половины этих ячеек с помощью соответствую-
щего смещения электродов одной либо другой фазы в двухфаз-
ных вертикальных регистрах (разд. 2.3). Время накопления
каждого элемента изображения в этой конструкции равняется,
таким образом, полному периоду кадра. Это приводит к не-
сколько более медленному отклику фоточувствительных элемен-
Приемники изображения на ПЗС	175
тов на быстродвижущиеся объекты. Для применений, в которых
это явление нежелательно, оба ряда элементов накопления
можно считывать в каждом полукадре путем двух горизонталь-
ных переносов во время двух последовательных полупериодов
тактового питания вертикальных регистров. Подходящим обра-
зом сдваивая элементы полукадров, можно добиться черес-
строчного считывания с такой же частотно-контрастной харак-
теристикой в вертикальном направлении, что и в конструкции
с вертикальным переносом кадра. Разделение промежутками
смежных чувствительных элементов приводит к слабому спаду
частотно-контрастной характеристики в вертикальном направ-
лении. Это дает лучшее разрешение и более резкий край вблизи
предела Найквиста, но может привести к появлению муаров
(разд. 3.1).
2.3.	ПРИМЕРЫ ДВУМЕРНЫХ ПРИЕМНИКОВ
ИЗОБРАЖЕНИЯ
В данном разделе мы опишем три образца двумерных при-
емников изображения. Первый из них — конструкция с перено-
сом кадра — разработан в соответствии с форматом системы
ПИКЧЕФОН (видеотелефон) [193]. ППЗ содержит трехфазные
перекрывающиеся поликремниевые электроды (фиг. 3.1, в) [45].
В его оптической секции имеется 128 рядов, ячеек ПЗС, что
соответствует 127,5 строкам, сканируемым в мишени системы
ПИКЧЕФОН за один полукадр. Чтобы обеспечить равную ве-
личину разрешения в горизонтальном направлении, каждая
строка содержит 220 элементов. Электроды переноса выходного
регистра и секции хранения имеют длину 10 мкм, что дает раз-
мер ячейки хранения 30 X 30 мкм2. В оптической секции верти-
кальный размер больше, что обеспечивает чересстрочность
формата 2:1. Отношение сторон кадра формата ПИКЧЕФОН
(11:10) определяет длину ячейки (48 мкм) и длину электро-
дов (16 мкм).
Приборы с переносом заряда были изготовлены на под-
ложке p-типа (2Va = 5-1014 см-3) с диффузионными областями
истоков и стоков. Каналы переноса ограничены областями
стоп-имплантации. Толщина слоя затворного окисла под всеми
электродами составляла 1'50 нм, а поликремниевые электроды
имели толщину ~ 400 нм. Из четвертого металлического
(Ti — Pd — Au) слоя были сформированы хорошо проводящие
шины питания, межслойные контакты и контактные площадки.
Приемник изображения смонтирован в двухрядном корпусе с
24 выводами (фиг. 5.10). На фиг. 5.11 приведены два изобра-
жения, которые получены с помощью этого приемника, содер-
жащего 220X 256 элементов разложения и работающего в
Фиг. 5.10. Приемник изображения с переносом кадра, содержащий 220X256
чересстрочных элементов, смонтированный в двухрядном корпусе с 24 выво-
дами. Прибор сфотографирован на фоне масштабной сетки с ценой деления
0?05 дюйма (1,27 мм) [45].
Фиг. 5.11. Изображение, полученное с помощью небольшой батарейной ка-
меры, в которой использован приемник изображения, показанный на фиг. 5.10.
Приемник работает в чересстрочном режиме в соответствии с форматом си-
стемы ПИКЧЕФОН [45].
178
Глава 5
составе небольшой батарейной камеры, потребляющей всего
1,5 Вт.
Первый выпущенный промышленностью двумерный прием-
ник изображения содержал 100 X Ю0 элементов разложения
[89]. В нем использовалась схема организации с межстрочным
переносом, показанная на фиг. 5.6, г. В работе [105] описан
равлени.
реноса
Первый слой поликремния
(фотозатвор)
Второй слой поликремния
(система затворов регистра)
Фоточувствительный
элемент (18x14 мкм)
Область
— стоп-диффузии
Имплантированный
барьер
^Половина непрозрачной ячейка
вертикального регистра (18*16 мкм)
Фиг. 5.12. Эскиз единичной ячейки приемника изображения на ПЗС (с объем-
ным каналом), содержащим 190X244 ячейки накопления [105].
приемник, содержащий 190X244 элементов разложения и
имеющий такую же схему. Для возможности работы при низ-
ких уровнях освещенности приемники созданы на ПЗС с
объемным каналом. В вертикальном направлении расположены
100 или 244 накопительных элемента, а вертикальные регистры
переноса имеют соответственно 50 и 122 двухфазные ячейки.
Эскиз единичной ячейки большего приемника показан на
фиг. 5.12. В ячейке использовано два слоя поликремния: в пер-
вом слое образованы электроды фоточувствительных М.ОП-
конденсаторов, а во втором (непрерывном) селективным леги-
рованием создана двухфазная система электродов. Однона-
правленность электродов обеспечивается потенциальными барь-
ерами, созданными с помощью ионной имплантации; такие же
барьеры изолируют фоточувствительные области от регистров
хранения. Для считывания фотозаряда надо снизить потенциал
поликремниевого электрода над областью накопления (фото-
Приемники изображения на ПЗС
179
затвор). Тогда зарядовые пакеты, примыкающие к электродам
переноса с высоким потенциалом, будут перетекать в регистры
хранения. Заряд, находящийся под смежными фоточувствитель-
ными элементами, удерживается имплантированными барьера-
ми. Осуществляя такой горизонтальный перенос (высокий по-
тенциал подан на Р1 для одного полукадра и на Р2 — для
другого), можно довольно просто получить чересстрочную раз-
вертку. В отличие от чересстрочности в конструкции с верти-
кальным переносом кадра, в этом приборе в действительности
столько отдельных фоточувствительных элементов в вертикаль-
ном направлении, сколько строк в полном кадре, но лишь по-
ловина из них считывается в каждом полукадре.
На фиг. 5.13 приведены изображения, полученные с по-
мощью приемника размером 100X 100 элементов при —40 °C
и времени накопления с [194]. На фиг. 5.13, а — г интенсив-
ность света меняется в диапазоне трех порядков величины, и
динамический диапазон можно примерно оценить как 1000,
исходя из того, что изображение на фиг. 5.13, г все еще не за-
бивается шумами. Отношение сигнал/шум можно улучшить,
если увеличить время накопления. Изображения на фиг. 5.13, д
и е получены при тех же уровнях освещенности, что и на
фиг. 5.13, в и г, но при времени экспозиции 5 и 10 с соответ-
ственно.
Приборы с зарядовой инжекцией. ПЗИ не являются прибо-
рами с переносом заряда в том смысле, в котором мы исполь-
зовали этот термин до сих пор. Перенос заряда в них происхо-
дит лишь между электродами в каждой отдельной их паре, но
нет сдвига всех зарядовых пакетов к одному общему выходу.
Мы решили дать описание таких приборов, так как они в по-
следнее время начинают успешно применяться в приемниках
изображения.
Основу ПЗИ [175, 176, 181] составляет матрица с коорди-
натной адресацией, в каждой ячейке которой имеется пара
смежных МОП-конденсаторов (фиг. 5.14, а). Если хотя бы под
одним из пары электродов существует область обеднения,
в ячейке могут храниться фотогенерированные неосновные
носители. Кроме того, они могут сдвигаться от одного элек-
трода к другому и назад (фиг. 5.14,6) без деградации сигнала,
обусловленной неэффективностью перекачки заряда. Если же
одновременно на оба электрода подается нулевое смещение, то
потенциальная яма «схлопывается», и неосновные носители
инжектируются в подложку, где рекомбинируют (фиг. 5.14, в).
Однако процесс рекомбинации может длиться много микросе-
кунд в материале с большим временем жизни, которое тре-
буется для обеспечения малых темновых токов. При этом
неосновные носители могут попасть в соседние ячейки, либо

Приемники изображения на ПЗС
181
могут смешаться сигналы последовательно опрашиваемых
ячеек. Для устранения этих явлений были созданы приборы,
содержащие специальную диффузионную область p-типа под
диодами хранения; она действует как эффективный коллектор
заряда, или как коллектор в фототранзисторе [181]. Позднее
была использована эпитаксиальная структура, в которой эпи-
таксиальный переход, смещенный в обратном направлении, яв-
ляется эффективным коллектором заряда [176]. В результате
этого частотно-контрастная характеристика улучшается, потому
что неосновные носители диффундируют сквозь эпитаксиальный
слой и собираются подложкой p-типа, прежде чем произойдет
диффузионное растекание носителей в стороны как после гене-
рации, так и во время инжекции носителей. Чувствительность
прибора несколько уменьшается в красной области спектра
вследствие уменьшения эффективной толщины, с которой но-
сители собираются в ямы. В конструкции, предложенной в ра-
боте [195], использовалась трехвыводная ячейка ПЗИ с отдель-
ными скрытыми коллекторными шинами для сбора сигналь-
ного заряда.
В первых образцах ПЗИ сигнал снимался с подложки при-
бора. Для уменьшения ограничения, налагаемого тепловыми
шумами предусилителя на отношение сигнал/шум, емкость
коллекторного узла должна быть как можно меньше (гл. 4,
разд. 3.4). В конструкции ПЗИ, предложенной в работе [176],
величина накопленного заряда определяется по его электроста-
тическому изображению в адресной шине. Емкость такой шины
в основном определяется цепями питания и детектирования и
будет, таким образом, медленнее увеличиваться при увеличе-
нии линейных размеров прибора. Выходы с таких шин соответ-
ствующим образом переключаются генератором горизонтальной
развертки (фиг. 5.14, а). Шум предзарядки конденсаторов, из-
менения амплитуды адресных импульсов и низкочастотные
l/f-шумы предусилителя подавляются интегрированием по
Фиг. 5.13. Изображения, полученные с помощью приемника изображения на
ПЗС (с объемным каналом) размером 100X100 элементов, конструкция кото-
рого подобна конструкции прибора, показанного на фиг. 5.12. Изображения
получены при разных уровнях освещенности и временах накопления и при
температуре —40 °C [194].
а —уровень сигнала светлых участков равен ~360 000 электрон/элемент изображения,
экспозиция ’/о с;
б — уровень сигнала светлых участков равен ~36 000 электрон/элемент изображения,
экспозиция Узо с;
в — уровень сигнала светлых участков равен ~3600 электрон/элемент изображения,
экспозиция '/зо с;
г — уровень сигнала светлых участков равен ~360 электрон/элемент изображения, экспо-
зиция '/зо с;
д — уровень сигнала светлых участков равен ~3600 электрон/элемент изображения,
экспозиция 5 с;
е —уровень сигнала светлых участков равен ~360 электрон/элемент изображения, экспо-
зиция 10 с.
182
Глава 5
а
Фиг. 5.14. Прибор с зарядовой инжекцией (ПЗИ) [175].
а —схема организации считывания; б —одна ячейка во время накопления и переноса
заряда; в —ячейка во время инжекции.
периоду инжекции заряда и сравнением величины напряжения
сигнала с величиной напряжения предзарядки. В результате в
ПЗИ размером 100 XI00 элементов был получен пиковый вы-
ходной сигнал, более чем на 60 дБ превышающий среднеквад-
ратичный шум [176].
В ПЗИ размером 248 X244 элементов [196] был применен
новый метод считывания (названный «параллельной инжек-
Приемники изображения на ПЗС
183
цией»), в котором детектирование сигнала по изображению за-
ряда в адресной шине и инжекция заряда разделены. Величина
фотозаряда в каждой чувствительной ячейке определяется
путем переноса заряда от одного конденсатора к другому при
строчной развертке. Во время межстрочных интервалов все
Фиг. 5.15. Изображение, полученное с помощью ПЗИ размером 248X244 эле-
ментов. Оно демонстрирует способность прибора работать при низких уров-
нях освещенности, а также отсутствие нежелательных явлений при на-
сыщении [196].
заряды в выбранной строке инжектируются в подложку. Такой
подход допускает не только высокие скорости развертки, но и
позволяет производить неразрушающее и поэтому многократ-
ное считывание одних и тех же зарядов повторным переносом
между парами конденсаторов без их инжекции. Этот метод не-
разрушающего считывания демонстрировался на охлажденном
до —70 °C ПЗИ. Поданное на прибор в течение короткого вре-
мени изображение непрерывно считывалось со скоростью
30 кадров в 1 с в течение 3 ч без заметной деградации сигнала.
Таким образом, изменение сигнального заряда во время каж-
дого из 32 000 циклов считывания было в среднем меньше, чем
один носитель на элемент изображения.
184
Глава 5
Изображение, полученное с помощью этого прибора при
комнатной температуре и низком уровне освещенности, пока-
зано на фиг. 5.15. Оно иллюстрирует отсутствие расплывания
(разд. 3.2) от сильно освещенных участков (фар автомобиля).
Достоинство современных ПЗИ состоит в том, что эти при-
боры совместимы со стандартной МОП-технологией (если не
принимать во внимание необходимость создания эпитаксиаль-
ного слоя). Кроме того, для фотогенерации заряда может быть
использована большая площадь подложки, чем площадь, тре-
буемая для хранения заряда; при хранении заряда также гене-
рируется темновой ток. Последнее является важным обстоя-
тельством, так как характеристики современных твердотельных
приемников изображения при комнатной температуре в боль-
шей степени ограничены неоднородностью темнового тока, чем
тепловым шумом предусилителя.
2.4.	ЦВЕТНЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ КАМЕРЫ
Применение в цветных телевизионных камерах твердотель-
ных приемников изображения вместо электронно-лучевых тру-
бок дает заметные преимущества. В современных студийных
камерах создающий изображение свет сцены разделяется на
красную, зеленую и синюю компоненты призматическим устрой-
ством расщепления луча [197], расположенным непосредственно
после объектива камеры. Эти три цветовые компоненты изо-
бражения воспринимаются отдельно тремя электронно-лучевы-
ми трубками. В таких камерах необходимо обращать серьезное
внимание на высокую степень совершенства и взаимную иден-
тичность трех электронно-лучевых разверток. Дискретность и
точность расположения накопительных элементов, а также
тактируемое считывание в твердотельных приемниках изобра-
жения автоматически обеспечивают линейность и взаимную
идентичность развертки во всех трех приборах; остается лишь
выполнить первоначальное механическое совмещение. Кроме
того, твердотельные приемники изображения имеют нулевое
запаздывание, поскольку весь заряд считывается за время
одного кадра или полукадра (в зависимости от схемы при-
бора). Это улучшает чистоту цвета движущихся объектов по
сравнению с камерами на электронно-лучевых трубках даже
при низких уровнях освещенности. Твердотельные цветные ка-
меры обещают быть компактными, легкими, надежными и не
требующими периодической смены трубки. В работе [180] опи-
сана камера, в которой использованы три приемника на ПЗС
(фиг. 5.7) размером 106X128 элементов. Камера меньших
размеров, в которой применены три приемника размером
220X256 элементов (фиг. 5.10), показана на фиг. 5.16. Эта
Приемники изображения на ПЗС
185
камера, хотя и сделана на стандартйых ТТЛ-микросхемах и
дискретных компонентах (они использованы в генераторе так-
тового питания), потребляет всего лишь 4 Вт. Размеры этой
камеры можно уменьшить, если логические цепи, генератор
Фиг. 5.16. Экспериментальная цветная телевизионная камера, в которой ис-
пользованы три приемника, аналогичные показанному на фиг. 5.10, и призма-
тическое устройство расщепления луча с дихроичными зеркалами. (Деления
на масштабной линейке соответствуют сантиметрам.)
тактового питания и цепь обработки видеосигнала выполнить
в интегральном виде. Предельные размеры такой камеры опре-
деляются оптическими деталями.
Другой подход к созданию компактных цветных камер со-
стоит в использовании лишь одной мишени, на которую дол-
жен быть нанесен набор цветных полос [198, 199]. В мишенях,
сканируемых электронным лучом, наборы полос разного цвета
должны иметь различные пространственные частоты в горизон-
тальном направлении. Информация об отдельных видеокомпо-
нентах извлекается с помощью соответствующей фильтрации
186
Глава 5
видеосигнала. В твердотельных приемниках с дискретными
чувствительными элементами цветные полосы должны быть
нанесены непосредственно на прибор и совпадать с границами
ячеек. Время прихода зарядового пакета к выходному диоду
содержит точную информацию о местоположении, и, следова-
тельно, сигнал будет относиться к определенной цветовой ком-
поненте. Разделение цветовых сигналов, таким образом, пред-
ставляет собой довольно простую операцию. Однако число эле-
ментов в горизонтальном и вертикальном направлениях должно
быть большим по сравнению с числом элементов, которое тре-
буется в черно-белой камере при равном разрешении, а также
в камере с тремя приемниками изображения. Уменьшение вы-
хода годных при изготовлении больших приборов и проблема
изготовления цветных полос на некоторое время, вероятно, за-
держат применение такой конструкции в высоко-качественных
камерах с высоким разрешением.
Другое важное достоинство приемников изображения на
ПЗС при их использовании в цветных камерах заключается в
том, что они обладают низкими шумами (разд. 3.4). Поэтому
камеры могут работать при низких уровнях освещенности, а это
позволит уменьшить освещение студий до разумной величины
и вести внестудийные передачи даже при пасмурной погоде.
Однако для получения качественных изображений надо умень-
шить темновой ток. Для этого, возможно, потребуется охлаж-
дение прибора не более чем на 50 °C.
2.5.	ОБРАБОТКА СИГНАЛА
В ПРИЕМНИКАХ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Способность приемников изображения на ППЗ хранить ана-
логовую информацию может быть использована для выполне-
ния некоторых операций по обработке видеосигнала, реализа-
ция которых другими методами была бы весьма дорогостоящей.
Использование линейных приемников изображения для выпол-
нения дискретного преобразования Фурье оптического изобра-
жения описано в гл. 6, разд. 6. Здесь мы обсудим некоторые
способы обработки, для осуществления которых используется
сам приемник. Сюда относятся многократное считывание, обна-
ружение движения и вычитание фонового темнового тока.
Линейные и двумерные приемники изображения на ПЗС
могут быть снабжены электрическими входами. Это особенно
просто осуществить в случае линейных приборов или двумер-
ных с вертикальным переносом (фиг. 5.6, в и а). В последнем
случае последовательный входной регистр дает прибору воз-
можность работать в качестве запоминающего устройства с
поел едовательно-пар аллельно-последовательной организацией
Приемники изображения на ПЗС
187
или в качестве аналоговых линий задержки [18, 94] (гл. 6,
разд. /). Видеосигнал, вырабатываемый таким приемником
изображения, может быть снова введен в этот же приемник
[111] для осуществления различных операций его обработки.
Сначала рассмотрим прибор с межстрочным переносом
(фиг. 5.6, г) и соответствующим входным регистром. В простей-
шем случае выходной сигнал может быть введен обратно в при-
бор и вновь считан, что позволяет осуществить многократное
считывание одного и того же изображения. Во время этих опе-
раций в каналы переноса не должен поступать дополнительный
заряд из ячеек накопления. Однако сигнал быстро деградирует
из-за темнового тока и потерь при переносе. В предварительных
экспериментах [111] было продемонстрировано четыре рецирку-
ляции. Такое устройство могло бы содержать инвертор в цепи
обратной связи для уменьшения деградации, обусловленной
темновым током. Большое число рециркуляций даже в этом слу-
чае возможно лишь тогда, когда, например, видеосигнал кван-
туется на несколько дискретных уровней (гл. 7, разд. 2) и уже
в такой многоуровневой форме рециркулирует и периодически
обновляется.
Приемники изображения с межстрочным переносом и элек-
трическим вводом можно использовать для обнаружения дви-
жущихся объектов. Для этого оптическое изображение подается
на приемник непрерывно, но сигнал каждого второго кадра в до-
полнительной форме вводится обратно в прибор. После того как
в регистры перенесен заряд, накопленный в течение следующего
кадра, стационарная часть изображения подавляется, так как
ей соответствует фиксированная величина зарядовых пакетов.
Видеосигнал на выходе прибора будет содержать лишь раз-
ность сигналов этих кадров, указывая изменение или движение
в следующих друг за другом изображениях.
С небольшим изменением эту схему рециркуляции можно ис-
пользовать для подавления геометрического шума, возникаю-
щего из-за пространственной неоднородности темнового тока.
Оптический затвор перед приемником изображения в течение
каждого второго кадра перекрывает световой поток, давая воз-
можность накопить заряд, соответствующий темновому току.
В течение следующего кадра сигнал темнового тока инверти-
руется и вводится в те же самые ячейки вертикальных регист-
ров, а в фоточувствительных элементах накапливается заряд
под воздействием темнового тока и оптического сигнала. При
переносе этого заряда в регистры сигналы, обусловленные тем-
новым током, взаимно уничтожаются.
Описанная схема обработки сигнала применима и в прием-
никах с переносом кадра (фиг. 5.6, в), если незначительно моди-
фицировать рециркуляцию. В случае вычитания фонового
188
Глава 5
сигнала модификация заключается в подавлении каждого треть-
его переноса кадра, что позволяет накапливать новый кадр оп-
тической информации, когда в фоточувствительную секцию уже
введен инвертированный сигнал фона. Таким образом, ввод оп-
тической информации будет занимать лишь третью часть вре-
мени [111]. При использовании прибора с переносом кадра опти-
ческий затвор требуется также и для многократного считывания
сигнала.
Хотя описанные операции обработки сигнала можно осуще-
ствлять и с помощью внешних устройств, очевидно, что эконо-
мичнее выполнять их в самом приемнике изображения. Добав-
ление необходимого для этого электрического ввода заряда
представляет собой незначительное усложнение приемника. Од-
нако, чтобы сохранить характеристики приемника достаточно
хорошими, требуются высокая эффективность переноса, низкий
уровень шума, хорошая линейность цепей ввода и вывода и
приемника в целом. Применение схемы вычитания сигналов,
предназначенной для обнаружения движения, уменьшает дина-
мический диапазон прибора, поскольку в каждой потенциальной
яме должны будут обрабатываться и прямой, и инвертирован-
ный сигналы.
Вычитание фона, создаваемого темновым током, особенно
полезно при использовании неохлаждаемых приборов в области
умеренно низких уровней освещенности, когда характеристики
приемника ограничиваются неоднородностью темнового тока
сильнее, чем статистическими шумами. Жизнеспособность опи-
санной схемы вычитания определяется надежностью оптиче-
ского затвора. Существуют другие способы снижения порогового
уровня обнаружения сигналов, такие, как охлаждение прибора
или использование усилителей интенсивности света. Примене-
ние охлаждения или усилителей интенсивности не всегда воз-
можно, поэтому нужно технологическими приемами уменьшать
темновой ток и добиваться его однородности. Можно получить
такие малые величины темнового тока, как несколько наноам-
пер на квадратный сантиметр при комнатной температуре. Вы-
читание фона может быть также успешно использовано для уси-
ления контраста и уменьшения влияния неоднородности чув-
ствительности в приемниках инфракрасного изображения
(разд. 5).
3.	ПРЕДЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
3.1.	РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
Важной характеристикой приемника является его простран-
ственная разрешающая способность. Поскольку в существую-
щих телевизионных системах применяются линейно-сканируе-
Приемники изображения на ПЗС
189
мне форматы, то следует отдельно рассматривать разрешающую
способность приемника по вертикали и горизонтали. Фоточув-
ствительные элементы твердотельных приемников изображения
дискретны в обоих направлениях. В этом случае теорема Найк-
виста утверждает, что наивысшая пространственная частота, ко-
торая может быть передана приемником, равна половине про-
странственной частоты, задаваемой периодичностью расположе-
ния чувствительных элементов. Если на приемник проецируется
изображение, содержащее частоты выш предела Найквиста,
то эти частоты будут преобразовываться в частоты основной
полосы пропускания прибора. Это явление, известное как эф-
фект Муара, приводит к появлению ложных изображений.
На разрешающую способность большое влияние оказывает
распределение чувствительности по площади элемента. Если бы
фоточувствительные элементы имели бесконечно малые разме-
ры, частотно-контрастная характеристика не уменьшалась бы
с ростом пространственной частоты. Такой приемник, однако,
был бы совершенно бесполезен, поскольку его чувствительность
равнялась бы нулю. Для практических целей распределение чув-
ствительности отдельных элементов можно аппроксимировать
прямоугольной или трапецеидальной функциями. Такая аппрок-
симация дает в выражении для частотно-контрастной характе-
ристики множитель вида (sinx)/x, где х — nLcfs, fs— простран-
ственная частота изображения, Lc — размер элемента. Для рас-
пределения чувствительности в виде прямоугольных «ящиков»,
расположенных вплотную друг к другу, амплитуда частотно-
контрастной характеристики при частоте, соответствующей пре-
делу Найквиста, упадет до 64%. Разрешающая способность оп-
ределенным образом зависит от примененной схемы организа-
ции считывания. В приборах с межстрочным переносом
(фиг. 5.6, г) регистры хранения должны быть защищены от воз-
действия падающего света; размер чувствительных элементов по
горизонтали составляет около 50% расстояния между их цент-
рами [200], поэтому амплитуда частотно-контрастной характери-
стики, вычисленная по геометрическим параметрам при пре-
дельной частоте Найквиста, может достигать 90% ее значения
в области низких частот. В приемнике с межстрочным перено-
сом имеются два независимых набора фоточувствительных эле-
ментов, которые соответствуют двум чересстрочным полукад-
рам, и поэтому амплитуда частотно-контрастной характеристики
в вертикальном направлении при предельной частоте Найквиста
составляет 64%, а не стремится к нулю, как в приемнике с вер-
тикальным переносом кадра и чересстрочностью формата 2:1.
При этом возникает другой вопрос: имеет ли смысл бороться
за это или надо умышленно снижать величину частотно-конт-
растной характеристики на высоких частотах, соответствующим
190
Глава 5
образом конструируя прибор или применяя предварительную
фильтрацию, для того чтобы уменьшить эффект Муара и пода-
вить ложные сигналы. Поскольку невозможно выполнить идеаль-
ную отсечку частот, лежащих выше предельной частоты Найк-
виста fN, то при предварительной фильтрации приходится жерт-
вовать некоторыми частотами из основной полосы пропускания
приемника. Таким образом, подавление ложных изображений
связано с неизбежными потерями в резкости изображения. Ус-
ловия оптимального компромисса найти теоретически очень
трудно. В работе [201] условия компромисса определялись экс-
периментально: сравнивались изображения, полученные с по-
мощью приемника с межстрочным переносом при разных степе-
нях предварительной оптической фильтрации. Путем оптической
фильтрации моделировалось расположение фоточувствительных
элементов с промежутками, вплотную друг к другу и с перекры-
тием, при этом первый нуль частотно-контрастной характери-
стики находился на частоте 4fNi 2fN и соответственно. Экспе-
рименты проводились с неподвижными объектами, и их резуль-
таты нельзя обобщать на все задачи и типы изображения. Рас-
положение фоточувствительных элементов вплотную друг к дру-
гу представляет собой, по-видимому, наиболее приемлемый
компромисс между подавлением ложных сигналов и резкостью
изображения. Для передачи развлекательных программ пред-
почтительнее, вероятно, изображение с несколько меньшим раз-
решением, но свободное от ложных сигналов, особенно в цвет-
ном телевидении, так что в этом случае можно использовать и
перекрывающиеся фоточувствительные элементы. Таким обра-
зом, уменьшение числа элементов, необходимых в приемнике
изображения с вертикальным переносом кадра, в два раза по
сравнению с числом воспроизводимых строк и простота кон-
струкции, позволяющая создавать приемники с большим разре-
шением, являются достоинствами приемников с переносом
кадра. Однако целью многих промышленных и военных систем
являются направленное наблюдение и получение при этом мак-
симального количества информации. Ложные сигналы, или муа-
ры, в этом случае позволят определить некоторые детали объ-
екта, пространственная частота которых выше предела Найкви-
ста fN приемника. При этом следует иметь в виду, что изобра-
жение точечных объектов может попасть в промежутки между
фоточувствительными элементами, а это может привести к гру-
бой ошибке.
Некоторые результаты экспериментального исследования
разрешающей способности [45], полученные с помощью прием-
ника с переносом кадра размером 220X256 элементов
(разд. 2.3), приведены на фиг. 5.17 и 5.18. Частотно-контрастные
характеристики в горизонтальном и вертикальном направлениях
Приемники изображения на ПЗС
191
измерялись при передаче изображений решеток с распределе-
нием интенсивности в виде прямоугольной волны; они сопостав-
ляются с характеристиками, вычисленными по геометрическим
данным ячеек приемника для синусоидального распределения
Пространственная частота, пара линии /мм
Фиг. 5.17. Частотно-контрастная характеристика в горизонтальном направле-
нии (-•-), измеренная при передаче изображений с распределением интен-
сивности в виде прямоугольной волны, и частотно-контрастная характеристи-
ка (------), вычисленная исходя из распределения чувствительности S по
отдельной ячейке. Распределение чувствительности определяется вертикаль-
ными каналами переноса [45].
интенсивности. Из кривых на фиг. 5.18 видно, что при накопле-
нии полукадров под уединенными электродами (А) и под па-
рами электродов (Б) разрешающая способность в вертикаль-
ном направлении незначительно изменяется. Причиной измене-
ний может быть разная резкость границ накопительных потен-
циальных ям (это подтверждается тем, что частотно-контраст-
ные характеристики, вычисленные для синусоидальных про-
странственных волн по геометрическим данным, отличаются
друг от друга).
192
Глава 5
В приемниках изоОражения на ПЗС существуют другие при-
чины деградации разрешающей способности. Носители, рожден-
ные вне обедненной области накопительных потенциальных ям,
могут свободно диффундировать в объеме, вызывая диффузное
Фиг. 5.18. Частотно-контрастная характеристика в вертикальном направлении
(О-----), измеренная при передаче изображений с распределением интенсив-
ности света в виде прямоугольной волны для обоих полукадров (А, Б), и
частотно-контрастная характеристика (------), вычисленная исходя из распре-
деления чувствительности по отдельной ячейке [45].
расплывание изображения. При освещении с лицевой стороны
прибора большинство носителей генерируется недалеко от по-
верхности в обедненной области, так как характерная длина по-
глощения видимого света в кремнии составляет лишь несколько
микрон [202]. Однако в приборах, освещаемых со стороны под-
ложки, носители генерируются в необедненной области, что мо-
жет привести к некоторому уменьшению разрешающей способ-
ности [203], если не увеличить размеры ячеек, либо не умень-
шить толщину подложки до величины порядка размера ячейки
(разд. 4).
Неэффективность переноса может вызвать дополнительные
потери разрешения в вертикальном и горизонтальном направле-
Приемники изображения на ПЗС
193
ниях, пропорциональные числу переносов зарядовых пакетов в
соответствующем направлении. Как видно из фиг. 4.6 (гл. 4),
элементы изображения, расположенные дальше от выходного
диода, сильнее подвержены влиянию неэффективности переноса.
На изображении это будет проявляться слабым падением раз-
решения приблизительно по диагонали. Задавая максимально
допустимое падение частотно-контрастной характеристики,
можно определить и требуемую для прибора данных размеров
эффективность переноса. В качестве примера рассмотрим при-
емник изображения с переносом кадра на трехфазном ПЗС,
сконструированный для чересстрочного телевизионного формата,
содержащего 525 строк по 500 элементов в строке. Если пред-
положить, что допустимая интегральная неэффективность для
элементов центра изображения равна 0,2, то средняя неэффек-
тивность 750 переносов в выходном регистре должна быть не
больше 2,7-10~4. В вертикальном направлении из центра изо-
бражения совершается примерно 750 переносов во время сдвига
кадра и 125 тройных переносов во время построчного считыва-
ния информации из секции хранения. Если предположить, что
эффективность переносов в секции хранения не хуже эффектив-
ности при регулярном тактовом питании (на что указывает и
эксперимент), то средняя неэффективность одного вертикаль-
ного переноса должна быть не больше 1,8-10“4.
В ПЗС с поверхностным каналом (фиг. 5.6, в и г) для полу-
чения достаточно хорошей эффективности переноса, а также для
устранения больших потерь, связанных с захватом заряда,
можно использовать режим непустого нуля. Этот прием поле-
зен при считывании больших массивов и при низких уровнях
освещенности. Введение непустого нуля удобно осуществлять
электрическим способом с верхнего конца вертикальных реги-
стров. Зарядовые пакеты непустого нуля должны иметь высокую
однородность, так как любые флуктуации величины зарядовых
пакетов непустого нуля будут проявляться в видеосигнале. Для
этой цели могут подойти методы уравнивания потенциалов, опи-
санные в гл. 3 (разд. 3.1), поскольку они дают возможность ин-
жектировать зарядовые пакеты, величина которых не зависит от
порогового напряжения (это напряжение на разных участках
прибора может быть различным). Чтобы обойти трудности, свя-
занные с электрической инжекцией заряда, зарядовые пакеты
непустого нуля можно создавать с помощью однородного вспо-
могательного освещения.
Качество телевизионного изображения зависит также от ка-
чества объектива камеры и качества дисплея. Из-за дискретно-
сти строк на экране дисплея возникают дополнительные потери
разрешения в вертикальном направлении [204, 205]; величина
7 Зак. 816
194
Глава 5
этих потерь составляет ~25%. Ширина полосы пропускания
канала обработки и передачи сигнала влияет на разрешение
в горизонтальном направлении.
3.2.	РАСПЛЫВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Всем приемникам изображения в той или иной степени свой-
ственно расплывание изображения чрезмерно ярких объектов.
В ПЗС, так же как и в кремниевых диодных мишенях, из чрез-
мерно освещенных мест избыточные носители могут диффунди-
ровать через объем в соседние потенциальные ямы, вызывая тем
самым концентрическое расширение светлых участков изобра-
жения. Кроме этого, растекание заряда в ПЗС может происхо-
дить преимущественно вдоль каналов переноса, что приведет к
появлению белых полос на изображении (фиг. 5.19) [206—208],
Фиг. 5.19. Растекание заряда вдоль каналов переноса в двумерном приемнике
изображения на ПЗС с переносом кадра, вызванное чрезмерной яркостью
спички и сигареты [207].
которые портят изображение сильнее, чем равномерное расте-
кание во все стороны. Для предотвращения распространения
избыточного заряда от ямы к яме вдоль каналов переноса при-
бора поверхность кремния под ненакапливающими электродами
следует сместить в область обогащения. Этот прием способ-
ствует тому, что носители будут растекаться по подложке, а не
по каналам переноса, что вызовет лишь концентрическое рас-
плывание изображения. Расплывание изображения можно пол-
Приемники изображения на ПЗС
195
ностью подавить, если между элементами накопления поместить
специальные стоки для избыточных носителей [206, 209—211];
такими стоками могут служить диоды, смещенные в обратном
направлении, или другие проводящие области. Это легко сде-
лать в случае приемника изображения с переносом кадра [206]
(фиг. 5.20). Действие стоков заключается в следующем: в них
стекают избыточные носители, которые иначе могли бы попасть
в соседние потенциальные ямы, и, кроме того, они не дают
«схлопываться» областям обеднения у поверхности кремния,
обеспечивая таким образом постоянный сбор носителей из
объема.
Для возможности осуществления переноса заряда по верти-
кальным каналам, а также для ограничения величины накапли-
ваемого заряда между каналами и стоками переполнения соз-
дают потенциальные барьеры. Требуемый для этого профиль
потенциала под электродом накопления и под разделительным
электродом показан на фиг. 5.21, а. Носители собираются в по-
тенциальных ямах, имеющих начальную глубину фР. Если по-
тенциальная яма заполняется до такой степени, что ее потенциал
сравнивается с потенциальным барьером фт, то избыточные
носители будут перетекать в сток переполнения. Если режим
работы выбран правильно, то под электродами, разделяющими
области накопления в вертикальном направлении, поверхност-
ный потенциал фР меньше фт (для того чтобы избыточные носи-
тели попадали в стоки переполнения, а не в канал переноса)
[207].
Потенциальный барьер фг можно создать разными спосо-
бами. В простейших из них используются области стоп-диффу-
зии или стоп-имплантации с небольшой концентрацией легирую-
щей примеси (фиг. 5.21,6), или участки толстого слоя окисла
(фиг. 5.21,в), расположенные вдоль стоков переполнения. Более
сложный способ (требуется дополнительный слой металла) за-
ключается в размещении специального электрода под элект-
родами переноса (фиг. 5.21,г). Этот способ дает возможность
регулировать высоту потенциального барьера отдельным источ-
ником напряжения или даже уменьшать время накопления пу-
тем подачи на этот электрод соответствующего импульсного
смещения. В приемниках с переносом кадра на ПЗС с объем-
ным каналом введение стоков переполнения с барьерами тща-
тельно подобранной высоты может быть даже более важно, так
как в таких приборах ненакапливающие электроды нельзя сме-
стить в область обогащения, чтобы подавить растекание заряда
по каналам.
На фиг. 5.22 иллюстрируется эффективность действия сто-
ков переполнения, используемых для подавления расплывания
изображения. Луч гелий-кадмиевого лазера по волоконному
196
Глава 5
Р/о
Р2 о-
РЗ -
Входной
затвор
Р2^
РЗ о-
Р1 о-
Р2°-
РЗ^
Исток- стоР
Видеосигнал
Выходной
затВор
Барьерная
" имплантация
Области
стоп-дисррузии
Сток
переполнения
Фото чувствитель ный!
массив
Последовательное считывание
Фиг. 5.20. Организация двумерного приемника изображения на ПЗС с пере-
носом кадра, а также с подавлением расплывания изображения, в котором
стоки переполнения расположены между вертикальными каналами переноса
фоточувствительного массива [207].
7ZZZZZZZZZZZZZZZZ
у Массив хранения


световоду в виде хорошо локализованного пятна попадает на
приемник изображения на ПЗС размером 106 X 128 элементов.
Этот приемник аналогичен приемнику, показанному на фиг. 5.7,
но в нем часть фоточувствительного массива защищена от пе-
реполнения диффузионными стоками и имплантированными
Приемники изображения на ПЗС
197
барьерами (фиг. 5.20, 5.21,6). Изображения луча лазера при
изменении его энергии на пять порядков, полученные с по-
мощью этого приемника, показаны на фиг. 5.22. Сравнение изо-
Потенци-	Область
альный	переноса	Сток
барьер и накопления	переполнения
Область
стоп-дифсрузии
или имплантации
Толстый
слой
окисла
Диффузионный
илиимплан-
тированный
сток
Слой окисла
Пороговый^
электрод"'
Канал
переноса
переполнения
Фиг. 5.21. Профиль потенциала под разделительными (- - -) и накапливаю-
щими (-----) электродами приемника изображения с переносом кадра (а);
схема конструкции, в которой используются области стоп-диффузии или им-
плантации (б); структура с тонкими и толстыми слоями окисла (в); спе-
циальный электрод, задающий потенциал барьера (г) [206].
бражений на фиг. 5.22, а и б показывает, что стоки переполне-
ния (фиг. 5.22,6) существенно уменьшают растекание избыточ-
ного заряда. Полученные результаты сравнимы с теми, что до-
стигнуты при использовании аналогичной защиты в мишени из
матрицы диодов [210, 211] и в линейных приемниках изображе-
ния на ПЗС [212].
Вертикальные полосы при высоких интенсивностях луча на
фиг. 5.22,6 не связаны с растеканием заряда по каналам пере-
носа, так как ненакапливающие электроды были смещены в
198
Глава 5
область обогащения. Они обусловлены накоплением заряда в по-
тенциальных ямах, проходящих под лучом лазера во время пе-
реноса кадра. Для того чтобы получить чистое изображение при
очень больших световых перегрузках, следовало бы применить
Фиг. 5.22. Изображения луча гелий-кадмиевого лазера (441,6 нм), попадаю-
щего на незащищенную (а) и защищенную (б) от переполнения часть фото-
приемной площади приемника на ПЗС размером 106X128 элементов
(фиг. 5.7) [207].
внешний электрооптический или механический затвор, или дру-
гие средства запирания светового потока [209, 213], чтобы избе-
жать накопления заряда во время переноса кадра. Эта про-
блема не возникает в приборах с вертикальным межстрочным
переносом (фиг. 5.6,г), если в них предусмотрены стоки, не поз-
воляющие избыточному заряду из элементов накопления расте-
каться по регистрам хранения. Однако если утечка существует
или если носители, рожденные в объеме кремния, могут диф-
фундировать прямо в вертикальные регистры, то белые линии
на изображении будут значительно сильнее, так как заряд по
Приемники изображения на ПЗС
199
этим регистрам движется значительно медленнее, чем при пере-
носе кадра в приемнике, подобном показанному на фиг. 5.6, в.
В ПЗИ с эпитаксиальным слоем расплывание изображения
за счет диффузии носителей имеет минимальную величину бла-
годаря тому, что избыточные носители быстро проходят эпитак-
сиальный слой и попадают в подложку. Однако другой меха-
низм, присущий только этим приборам, может вызвать белые
полосы, аналогичные тем, которые получаются из-за растека-
ния зарядов по каналам переноса. Эти полосы возникают из-за
перекрестных помех при световой перегрузке. Каждый раз,
когда в процессе считывания на один из двух электродов пере-
полненной ячейки подается низкое напряжение смещения, из-
быточный заряд, не вмещающийся в яму под одним электродом,
инжектируется в подложку. Он суммируется с видеосигналом
опрашиваемой в это время ячейки. Таким образом, световая пе-
регрузка в число раз, равное числу столбцов в массиве, даст
белую вертикальную полосу на изображении. Этот эффект устра-
нен (фиг. 5.15) в методе неразрушающего считывания
(разд. 2.3).
3.3.	КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И СПЕКТРАЛЬНАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Чувствительность твердотельных приемников изображения в
основном определяется фотоэлектрическими свойствами полу-
проводника. Во всей видимой и ближней инфракрасной части
спектра чувствительность разработанных кремниевых диодных
мишеней близка к теоретическому пределу [203]. Такую же вы-
сокую квантовую эффективность могут иметь и приемники изо-
бражения на ПЗС при освещении со стороны подложки; этот
способ освещения описан в разд. 4. В данном разделе мы рас-
смотрим характеристики приемников при освещении с лицевой
стороны. Приборы с зарядовой связью часто имеют довольно
сложную электродную структуру, поэтому свет, падающий на
кристалл с лицевой стороны, может потерять заметную часть
фотонов из-за отражения и поглощения. Если электроды непро-
зрачны и разделены незащищенными зазорами, ослабление ин-
тенсивности света можно вычислить по отношению площади
электродов ко всей площади ячейки. Если применяются полу-
прозрачные электроды (например, из поликремния), то потери
происходят как из-за поглощения, так и из-за многократных
отражений от поверхностей раздела кремний — двуокись крем-
ния; возникает интерференция и прозрачность электродной
структуры будет зависеть от длины волны падающего излуче-
ния. Поэтому чувствительность прибора имеет несколько пи-
ков и провалов в видимом диапазоне спектра [101, 214].
200
Глава 5
Экспериментальная кривая, полученная для приемника на ПЗС
с трехслойной структурой поликремниевых электродов [45], пока-
зана на фиг. 5.23. Спектральная характеристика чувствительно-
сти сильно зависит от толщины слоев поликремния и окисла. До
тех пор пока не будет осуществлено точное управление техноло-
гическими процессами, спектральные характеристики ПЗС, из-
готовленных в различных партиях, будут заметно отличаться
Фиг. 5.23. Спектральные характеристики двух приемников изображения на
ПЗС с трехслойной структурой поликремниевых электродов [45]. Для сравне-
ния приведены соответствующие спектральные характеристики, отвечающие
постоянным значениям квантовой эффективности QE.
(кривые А и В на фиг. 5.23). С другой стороны, как показы-
вает сравнение кривых А и А', в пределах одной пластины или
одного прибора величина изменений спектральной характери-
стики значительно меньше, если поликремний наносится доста-
точно равномерно. В среднем 1/2 или 2/3 падающего света те-
ряется при прохождении электродной структуры; особенно
велики потери в синей области спектра. Средняя величина кван-
товой эффективности созданных до сих пор приемников состав-
ляет ~25%, а величина абсолютной чувствительности колеб-
лется от 0,1 до 0,2 А-Вт-1. В работе [215] описаны эксперимен-
тальные образцы ПЗИ с прозрачными электродами из окиси
металла, имеющие значительно лучшую чувствительность, осо-
бенно в синей области спектра. Получена более равномерная
спектральная характеристика чувствительности и квантовая эф-
фективность около 70% во всей видимой области спектра.
Выбор схемы считывания также влияет на чувствительность.
Например, в конструкции с вертикальным межстрочным считы-
Приемники изображения на ПЗС
201
ванием (фиг. 5.6, г) каналы переноса должны экранироваться
от света, чтобы не было смазывания изображения, что умень-
шает чувствительность в два раза.
3.4.	ПРИЕМ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРИ НИЗКИХ УРОВНЯХ
ОСВЕЩЕННОСТИ
Можно предположить, что благодаря своей малой выходной
емкости приемники изображения на ПЗС имеют лучшее отно-
шение сигнал/шум, чем электронно-лучевые трубки, и поэтому
конкурентоспособны в области приема изображения при низких
уровнях освещенности. Ниже приведены типичные значения этих
величин. Отметим, что при низких уровнях освещенности отно-
шение сигнал/шум и разрешающая способность взаимосвязаны.
Чтобы извлечь полезную информацию при отношении сиг-
нал/шум ниже определенной величины, сигнал придется усред-
нять по нескольким элементам разрешения. В работе [216] по-
казано, что при использовании приемника изображения, огра-
ниченного квантовым пределом, черный круг на «белом» фоне
становится различимым, если он поглощает по меньшей мере
25 фотонов. Так как хаотичное падение фотонов подчиняется
распределению Пуассона, то это означает, что отношение сиг-
нал/шум равно пяти. В соответствии с этим можно считать, что
зарядовые пакеты в твердотельном приемнике изображения
должны иметь отношение сигнал/шум не менее пяти, чтобы не
ухудшать разрешающую способность приемника, которая опре-
деляется его геометрическими параметрами [217]. Если отноше-
ние сигнал/шум слишком мало, то сигналы смежных элементов
должны усредняться; разрешающая способность приемника при
этом уменьшается. Таким образом, обнаружительная способ-
ность приемника изображения, определенная как его разре-
шающая способность в зависимости от облученности, задается
не только его чувствительностью, но и размерами элементарной
ячейки, эффективностью переноса и источниками шумов.
Минимальная облученность Ямиы (фотон • С'1-см~2), обеспечи-
вающая на одном элементе приемника отношение сигнал/шум,
равное k, определяется выражением [217]:
(5.1)
где Nn — средняя величина шума одного зарядового пакета;
С — контраст объекта; 0 — квантовая эффективность приемника;
t — время накопления и Wg— длина стороны квадратного фото-
чувствительного элемента. Минимальная облученность, требуе-
мая для передачи изображения с плотностью линий D
202
Глава 5
(линия/см) меньше, чем геометрический предел Dg = 1/Wg, оп-
ределяется выражением
<5-2>
Средняя величина шума Nnj по существу определяющая спо-
собность данного приемника работать при низких уровнях осве-
щенности, состоит из нескольких компонент. Абсолютный пре-
дел идеального приемника определяется, конечно, дробовым шу-
мом падающих фотонов. Однако, как уже указывалось в гл. 4
Таблица 5.1
Эквивалентный шумовой сигнал в 500-строчных приемниках изображения
на ПЗС с поверхностным и объемным каналами, оцененный в числе
электронов. Активная площадь элемента равна 600 мкм2
Источник шума	Эквивалентный шумовой сигнал	
	ПЗС с поверхност- ным каналом	ПЗС с объемным каналом
Электрический ввод (непустой нуль)	200 (70 а))	Отсутствует
Захват Nss = 1 • 109 см”2 • эВ-1 Nt = 2- 1011 см-3	450	20-80
Интегральный предусилитель (шумо-	180	180
вая емкость Со — 0,2 пФ)		(несколько элек- тронов б))
Темновой ток (10 нА • см“2)	100	100 (10) в)
Полная величина шума	540 («500 а))	«220 («20 б) в))
а) Теоретический предел, определяемый выражением	(число вне скобок
получено экспериментально).
6) Для идеального усилителя, т. е. для плавающего затвора или двойной коррели-
рованной выборки.
Охлаждение на 60 °C относительно комнатной температуры.
(разд. 3), существуют и другие источники шума. В табл. 5.1 при-
ведены предполагаемые величины шума в виде среднеквадра-
тичного отклонения от среднего значения числа электронов в
зарядовом пакете для приемников изображения с переносом
кадра размером 500 X 500 элементов на ПЗС с поверхностным
и объемным каналами. В неохлаждаемых приемниках при низ-
ких уровнях освещенности дробовой шум темнового тока обычно
является доминирующей компонентой шума. В ПЗС с поверх-
ностным каналом преобладающими являются шум инжекции за-
Приемники изображения на ПЗС
203
ряда или фотонный шум непустого нуля, необходимого для до-
стижения приемлемой эффективности переноса при низких уров-
нях освещенности. В ПЗС с объемным каналом непустой нуль
не нужен, поэтому в них нет шума непустого нуля; в них также
Облученность объекта, (ротон-е^см"
Фиг. 5.24. Разрешающая способность по вертикали приемника изображения на
ПЗС размером 500X500 элементов, вычисленная в зависимости от облучен-
ности объекта. Шаг элементов разрешения равен 25 мкм; время кадра со-
ставляет 0,1 с; квантовая эффективность равна 1,0; контраст равен 0,2 и от-
ношение сигнал/шум равно k. Кривые обусловлены различными источниками
шума:
1	— неполнота переноса сигнала, у$ = 625, eVg.=0,2, £=1;
2	—шум МОП-транзистора, Мп = 10, & = 5;
3	— дробовой шум фотоэлектронов, £ = 5;
4	— шум переноса заряда непустого нуля (электрический ввод), Л^=105, е.\^=0,2Д = 1;
5 —шум хранения заряда непустого нуля, Мп = 40, £ = 5;
6 — шум быстрых поверхностных состояний, Mn = 950, k = \\
7—шум термически генерированного заряда непустого нуля, Д^Л = 200, fe = 5;
8—экспериментально измеренная разрешающая способность ЭЛТ с усилением интенсив-
ности и кремниевой мишенью диаметром 40 мм;
9—экспериментально измеренная разрешающая способность кремниевого видикона [217]
заметно меньше шум переноса. В работе [217] описан охлаж-
даемый ПЗС с объемным каналом, который дает оптимальное
усиление (гл. 4, разд. 3.4) и который по характеристикам дол-
жен превзойти электронно-лучевую трубку с усилением интен-
сивности и кремниевой мишенью. В такой трубке фотоэлектро-
ны, рожденные в фотокатоде, ускоряются и попадают на крем-
ниевую мишень [218]. Основные преимущества предложенного
прибора заключаются в более высокой по сравнению с фотока-
тодами квантовой эффективности кремниевых фотоприемников,
особенно в ближней инфракрасной области спектра, а также
возможности достижения очень малых шумов усиления.
204
Глава 8
На фиг. 5.24 приведены предельные характеристики разре-
шающей способности приемника изображения на ПЗС и элек-
тронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с усилением интенсивности и
кремниевой мишенью. Предельные значения разрешающей спо-
собности приемника изображения на ПЗС вычислены для раз-
личных источников шума, а характеристика ЭЛТ измерена экспе-
риментально. Однако вычисления проводились на основе уста-
ревших данных, а для мишени, сканируемой электронным
лучом, экспериментальная характеристика получена при передаче
изображения полос. Благодаря пространственной корреляции
информации для передачи таких изображений требуется на по-
рядок меньше фотонов, чем предполагается при выводе фор-
мулы (5.1) [208] Кроме того, при выводе этой формулы не
учитывались субъективные физиологические и психологические
факторы, действию которых подвержен наблюдатель, а также
тот факт, что шум переноса коррелирован. Корреляция умень-
шает влияние шума переноса в области низких пространствен-
ных частот, где глаз человека особенно чувствителен. Действие
всех этих факторов должно привести к характеристикам при
низких уровнях освещенности, более лучшим, чем характеристи-
ки, приведенные на фиг. 5.24.
3.5.	ДЕФЕКТЫ ПРИЕМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
В первоначальном способе реализации приемников изобра-
жения на ПЗС (использовалась трехфазная структура электро-
дов из одного слоя металла) основной проблемой были узкие
зазоры между электродами переноса. Неуправляемость поверх-
ностного потенциала в зазорах приводила к нестабильности
эффективности переноса [38]. Кроме того, один-единственный де-
фект (размером всего лишь в несколько микрон) в слое металла
мог закоротить смежные электроды и вывести полностью при-
бор из строя.
Проблема обеспечения стабильности характеристик была раз-
решена при использовании структур с селективно-легирован-
ными или многослойными перекрывающимися электродами, ко-
торые покрывают всю область переноса. В структурах с селек-
тивным легированием не так много коротких замыканий между
электродами различных фаз тактового питания, так как в таких
структурах промежутки между соседними электродами доста-
точно широки. В трехслойных поликремниевых структурах
(гл. 3, разд. 1.1), где электроды изолированы друг от друга
термически выращенным окислом, коротких замыканий еще
меньше. Применение электродной структуры из трех слоев по-
ликремния позволяет получить высокий выход годных прибо-
ров, поскольку требования к шаблонам и фотолитографии на-
Приемники изображения на ПЗС
205
много ослабляются. Благодаря большим промежуткам между
электродами одного слоя короткие замыкания внутри слоев ма-
ловероятны, но они все же могут возникать. Такой дефект не
приводит к полной потере работоспособности прибора, но если
он расположен над каналом переноса в первом или втором слое
Фиг. 5.25. Проявление различных дефектов приемника изображения на ПЗС
с переносом кадра при передаче изображения полос.
А — дефект типа белой точки; В—дефект типа белой полосы; С —сбой фазы сигнала,
обусловленный коротким замыканием внутри слоя металла; D —канал с пониженной спо-
собностью обрабатывать сигнал; Е — участок плохой эффективности переноса [45].
поликремния, то нарушается управление поверхностным потен-
циалом. Это может привести к смешиванию или «размазыва-
нию» отдельных зарядовых пакетов, а также к тому, что фаза
сигнала, передаваемого по каналу с таким дефектом, окажется
неправильной. При передаче изображения полос такие дефекты
проявляются в виде изгибов горизонтальных линий (дефект С
на фиг. 5.25). Аналогичная картина возникает при отсутствии
части электродов. Полный обрыв электрода дает лишь локаль-
ный дефект изображения, если электроды подключены с обеих
сторон. Однако если на одном и том же электроде образовалось
два обрыва и потенциал куска электрода между обрывами не-
управляем, то ухудшается эффективность переноса во всех ка-
налах между обрывами (дефект Е на фиг. 5.25 — пример такого
двойного обрыва).
Межслойные короткие замыкания на участках перекрытия
электродов, а также короткие замыкания на подложку могут
привести к полной потере работоспособности приемника в том
случае, если такие дефекты не позволяют подавать необходимые
203
Глава 5
импульсы на соответствующую систему электродов. Плотность
проколов в термически выращенном окисле можно поддержи-
вать на достаточно низком уровне: проколы окисла не являются
главным источником отказов. Более многочисленными могут
быть короткие замыкания на подложку под контактными окна-
ми к поликремнию. Однако второй слой диэлектрика (такого,
как нитрид кремния) или толстый слой окисла под поликрем-
ниевыми элетродами существенно уменьшают число таких за-
мыканий.
Каналы, которые полностью перекрыты «выпячиваниями» ог-
раничивающих канал областей или имеют сток для неосновных
носителей (например, прокол затворного окисла), дают черные
полосы на изображении (дефект D на фиг. 5.25). Наоборот, бе-
лые полосы, подобные дефекту В, возникают при инжекции из-
быточного количества заряда в канал; причина такой инжек-
ции— локальный пробой. Такие полосы, а также сдвиг фазы
сигнала идут через весь экран, если соответствующий дефект
находится в секции хранения приемника с переносом кадра.
Если дефект расположен в фоточувствительной секции, то со-
ответствующая полоса распространяется от местоположения де-
фекта вниз [18] при сканировании экрана сверху вниз.
При отсутствии таких явных дефектов, как те, что описаны
выше, качество приемника определяется темновым током, кото-
рый на изображении дает шумовой фон; участки с повышенной
скоростью генерации дают белые точки (точки А на фиг. 5.25).
В кремниевых диодных мишенях можно почти полностью пода-
вить белые точки, а также уменьшить темновой ток до несколь-
ких наноампер на квадратный сантиметр. Вероятно, достичь
этого в твердотельных приемниках изображения труднее, так
как процесс их изготовления сложнее, но реальность этой цели
подтверждается постоянным совершенствованием кремниевых
материалов и технологии изготовления интегральных схем. На
первых этапах разработок темновой ток некоторых приборов с
одним слоем металла был меньше чем 5 нА-см~2 [18], а типич-
ная величина темнового тока приборов с многослойным поли-
кремнием лежала в диапазоне 5—100 нА-см-2 [45, 208].
Если с помощью технологических приемов все же не удастся
избавиться от белых точек, то их можно подавить обработкой
сигнала. Один из способов такой обработки состоит в задержке
видеосигнала на время, соответствующее двум элементам раз-
решения, и в сравнении сигнала от двух соседних в горизон-
тальном направлении элементов. Если сигнал элемента превос-
ходит на некоторую величину сигналы соседних элементов, то
он заменяется средним арифметическим значением сигналов от
двух соседних элементов. Таким способом можно подавить бе-
лые точки на изображении при некотором уменьшении разре-
Приемники изображения на ПЗС
207
шающей способности. Подобную обработку сигнала просто осу-
ществить в случае приемника на ПЗС. Для этого надо сделать
выходы от трех соседних ячеек считывающего регистра. Более
сложные способы вычитания фонового сигнала, описанные выше
(разд. 2.5), не подходят для подавления дефектов типа белых
точек, так как при этом сильно сужается динамический диапа-
зон, поскольку все сигналы должны дополняться до наиболь-
шего уровня темнового тока.
4.	ОСВЕЩЕНИЕ СО СТОРОНЫ ПОДЛОЖКИ
Освещая твердотельные приемники изображения со стороны
подложки (нормальный режим работы кремниевых диодных ми-
шеней [219, 220]), можно увеличить квантовую эффективность и
Фиг. 5.26. Расчетные частотно-контрастные характеристика приемника изобра-
жения на ПЗС при освещении со стороны подложки [203].
Длина волны: 550 нм; диффузионная длина носителей: 47,3 мкм; ширина области обеднения:
5 мкм; скорость рекомбинации на обратной поверхности подложки: 10~3 см с“!.
устранить осцилляции зависимости спектральной чувствитель-
ности от длины волны излучения, возникающие при освещении
с лицевой стороны прибора. Кроме того, при освещении со сто-
роны подложки электроды переноса можно изготавливать из
208
Глава 5
непрозрачных материалов с высокой проводимостью. Однако,
поскольку большая часть видимого света поглощается при про-
хождении слоя толщиной 4 мкм, при освещении со стороны под-
ложки носители должны диффундировать в потенциальные ямы,
Длина волны, мкм
Фиг. 5.27. Спектральная характеристика линейного четырехфазного ПЗС,
освещаемого с обратной стороны тонкой подложки (•), и спектральная ха-
рактеристика трехфазного ПЗС с зазорами между электродами, освещаемого
с лицевой стороны (А) [169].
расположенные под электродной структурой. Чтобы простран-
ственное разрешение прибора не ухудшалось из-за диффузион-
ного растекания неосновных носителей, толщина подложки
должна быть меньше размера элемента разрешения [203, 221].
Кроме того, для уменьшения рекомбинации носителей тыловая
сторона подложки должна находиться в режиме обогащения, а
для увеличения оптического пропускания необходимо преду-
смотреть просветляющее покрытие. Вследствие диффузионного
растекания носителей частотно-контрастные характеристики при-
бора ухудшаются (фиг. 5 26). Хотя технологию, разработанную
для кремниевых диодных мишеней, нельзя непосредственно при-
менить к приемникам на ПЗС, ее применение, по-видимому, не
Приемники изображения на ПЗС
209
встретит больших препятствий. Это подтверждают и предвари-
тельные результаты, полученные на 500-элементном линейном
приемнике изображения с четырехфазной структурой перекры-
вающихся электродов из анодированного алюминия [169]. Тол-
щина подложки прибора была выбрана меньше 30 мкм; разброс
толщины при этом составлял меньше 1 мкм. Концентрация ле-
гирующей примеси в объеме подложки составляла 1 • 1015 см-3;
Фиг. 5.28. Зивисимость выходного сигнала приемника на ПЗС, освещаемого
с обратной стороны тонкой подложки и находящегося при комнатной темпе-
ратуре, от уровня освещенности. Источник освещения — черное тело с темпе-
ратурой 2854 К [169].
у обратной стороны подложки она увеличивалась до 1 • 1018 см-3.
Обратная сторона подложки была покрыта слоем моноокиси
кремния для уменьшения отражения в синей области спектра.
Спектральная характеристика чувствительности такого прием-
ника является гладкой кривой (фиг. 5.27); величина квантовой
эффективности превосходит 50% в диапазоне длин волн 0,5—
0,9 мкм; на длине волны 0,7 мкм она достигает 90%. Причиной
падения чувствительности в области коротких волн является ре-
комбинация носителей в объеме и на поверхности обратной сто-
роны подложки, а в области длинных волн — неполное погло-
щение ИК-излучения в тонкой подложке. Широкополосный вы-
ходной сигнал такого приемника линейно зависит от мощности
падающего излучения; линейность сохраняется в диапазоне бо-
лее чем двух с половиной порядков величины мощности падаю-
щего излучения, при этом показатель линейности у равен 0,997
210
Глава 5
(фиг. 5.28). На фиг. 5.29 показано изображение, полученное
с помощью приемника на ПЗС размером 160 X Ю0 элементов,
Фиг. 5.29. Изображение, полученное с помощью приемника на ПЗС с объем-
ным n-каналом. Приемник содержит 160X100 элементов разложения и осве-
щается с обратной стороны подложки. В приемнике использована трехфазная
двухслойная структура А1 —А12О3 — А1.
освещаемого с обратной стороны тонкой подложки. Прибор соз-
дан по технологии, в которой используются n-каналы и трех-
фазная двухслойная структура электродов из анодированного
алюминия.
Приемник с любой из представленных на фиг. 5.6 схемой ор-
ганизации считывания легко использовать в режиме освещения
с обратной стороны; исключением является схема с межстроч-
Приемники изображения на ПЗС
211
ным считыванием, показанная на фиг. 5.6, г. Для устранения
диффузии носителей непосредственно в регистры хранения в
приемниках с такой организацией считывания элементы разре-
шения должны быть достаточно больших размеров, а над вер-
тикальными каналами переноса должны располагаться тща-
тельно совмещенные экраны.
Приемники на ПЗС с тонкой подложкой легко приспособить
для работы в режиме электронной бомбардировки. Электроны
достаточно высокой энергии могут дать квантовый выход по-
рядка нескольких сотен. В этом режиме можно детектировать
и другие ядерные частицы, например протоны или нейтроны,
хотя вызываемые ими дефекты кристаллической решетки умень-
шали бы время жизни неосновных носителей, что в свою оче-
редь привело бы к деградации характеристик приемника. Силь-
нее всего ионизирующее излучение влияет на поверхность раз-
дела кремний — двуокись кремния.
Следует также помнить, что приемники с тонкой подложкой
надо монтировать в корпус. По-видимому, предпочтительнее де-
лать подложку тонкой лишь под фоточувствительным массивом
и оставлять вокруг прибора «ободок» из толстой подложки; ши-
рина этого ободка должна быть достаточной для размещения
на нем контактных площадок. В этом случае кристалл прием-
ника может выдерживать определенные механические нагрузки.
Однако уменьшение толщины обработанного кристалла кремния
в некоторых местах — непростая задача. Неоднородность дей-
ствия травящих растворов или турбулентность раствора во вра-
щающейся ванне могут стать причиной разной скорости травле-
ния в центре и по краям обрабатываемого участка. Кроме того,
механические напряжения в изоляторе и электродной структуре
могут покоробить тонкую подложку и даже вызвать образова-
ние трещин вдоль границ тонкого участка. Тем не менее предва-
рительная разработка такой технологии дала достаточно хоро-
шие результаты, что подтверждается изображением, приведен-
ным на фиг. 5.29.
5.	ПРИЕМНИКИ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПЗС
5.1.	ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Значительная часть ведущихся сейчас научно-исследователь-
ских работ посвящена разработке приемников изображения на
ПЗС со спектральной характеристикой, распространяющейся в
дальнюю инфракрасную (ИК) область. Вначале такие приборы
найдут применение в военной технике и аппаратуре для эколо-
гических исследований, разведки и наблюдения как на земле,
так и в воздухе, а затем неизбежно последует их использование
212
Глава 5
в различных областях науки, промышленности и медицины.
Было предложено много путей для того, чтобы обеспечить виде-
ние в темноте [222, 223], но все они пока не дают необходимых
результатов или слишком сложны и дорогостоящи.
Преобразование ПК-изображения в видеосигнал целесооб-
разно в четырех основных областях ПК-спектра: в диапазоне
ближнего ПК-излучения с длинами волн до ~ 1 мкм и окнах
пропускания атмосферы 2—2,5 мкм, 3,5—4,2 мкм и 8—14 мкм.
В других частях спектра ПК-излучение поглощается в атмо-
сфере молекулами воды и двуокиси углерода [224]. Преобразо-
вание изображения в видеосигнал во всех указанных областях
можно осуществить с рассеянным или специальным, так назы-
ваемым активным, освещением. Использование собственного
теплового излучения объектов при длинах волн больше чем
3 мкм приводит к возможности «тепловидения». Однако контраст-
ность тепловых изображений очень низка и, в частности, на
участке 8—12 мкм, где сконцентрирована большая часть энер-
гии теплового излучения, составляет всего лишь ~ 1 % на 1 °C.
Так как обычно необходимо тепловое разрешение 0,1 °C, то тре-
бования к однородности чувствительности приемника ПК-изо-
бражения чрезвычайно жесткие и могут быть удовлетворены
лишь с помощью специальных способов, которые рассмотрены
ниже.
В настоящее время детектирование изображения в ближней
ПК-области обычно выполняется с помощью фотокатодов с по-
вышенной чувствительностью к красному свету, которые испу-
скают электроны на фосфоресцирующий экран или на сканируе-
мую электронным лучом мишень. Эту мишень можно заменить
приемником изображения на ПЗС с тонкой подложкой, облучае-
мым с тыловой стороны !). В тепловидении используются охлаж-
даемые фотосопротивления, иногда объединенные в строчные
массивы.
Существует два основных подхода к проблеме создания твер-
дотельных приемников ПК-изображения на ПЗС. Все разраба-
тываемые устройства можно разделить на собственно твердо-
тельные, так называемые монолитные, и гибридные. В гибрид-
ных приборах кремниевые ПЗС используются для считывания
сигналов массива ПК-детекторов, которые сделаны из материа-
ла, отличного от кремния. В твердотельных приемниках изо-
бражения фоточувствительные элементы и цепи считывания из-
готовлены на основе одной и той же подложки из полупровод-
!) Пример подобного устройства и описание его основных свойств со-
держатся в работе: Н. Т. Brown, Р. A. Gray, Р. J. Pood, «Ап EBS — mode
CCD for Low Light Level Imaging Applications», Ш-th International Confe-
rence «The Technology and Applications of Charge Coupled Devices», Edin-
burgh, 1976, pp. 117, Al—A10. — Прим. ped.
Приемники изображения на ПЗС
213
ника, обеспечивающего чувствительность в требуемой области
ИК-спектра. Эти идеи и свойства некоторых материалов рас-
смотрены в работе [225].
5.2.	СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Специфические задачи преобразования ИК-изображения в
видеосигнал требуют применения некоторых специальных режи-
мов работы для того, чтобы решить проблему однородности чув-
ствительности приемника изображения (т. е. добиться малого
разброса чувствительности от элемента к элементу). В частно-
сти, трудности, связанные с большим фоновым излучением и
низким значением контрастности, можно частично преодолеть
с помощью специальных схем обработки сигнала, которые стали
возможны благодаря ППЗ. В основном применяются так назы-
ваемые цепи вычитания фона, работающие так, что в канал пе-
реноса заряда поступает только модулированная (изменяю-
щаяся от элемента к элементу) часть сигнального заряда. Один
из способов действия цепи вычитания фона заключается в том,
что значительная постоянная часть полного заряда остается в
некоторой потенциальной яме, тогда как небольшое количество
избыточного заряда, представляющее действительный сигнал,
может перетечь в соседнюю яму. Затем этот заряд можно считы-
вать после его переноса вдоль всего канала [226]. В дальнейшем
способ действия видоизменили: первоначально накапливающую
заряд потенциальную яму периодически опустошали с помощью
дополнительной параллельной каналу переноса шины, чтобы
уменьшить долю сигнального заряда, которую надо считывать.
Однако такие простые цепи вычитания лишь частично ре-
шают проблемы, возникающие вследствие разброса чувстви-
тельности от элемента к элементу. Одно из возможных решений
заключается в том, что перед приемником изображения поме-
щается заслонка, собственное излучение которой можно исполь-
зовать как эталон однородного фонового излучения в каждом
втором кадре или полукадре. Заряд, соответствующий накоп-
ленному фоновому излучению, затем вычитается либо при по-
мощи рециркуляции сигнала в том же самом приборе (разд. 2.5),
либо при помощи специальной обработки в отдельном устрой-
стве; таким путем исключаются пространственная неоднород-
ность чувствительности или локальные токи утечки приемника
изображения.
Другой способ устранения разброса чувствительности осо-
бенно предпочтителен в ближней ИК-области, где фоновое излу-
чение не очень велико. По этому способу сигнал, соответствую-
щий заданной точке изображения, получается путем суммирова-
ния последовательных во времени откликов многих отдельных
214
Глава 5
чувствительных элементов. В линейном приемнике изображе-
ния это может быть сделано при помощи механического ска-
нирования изображения в направлении канала переноса (в от-
личие от сканирования поперек строки в устройствах передачи
факсимильных изображений). При этом необходима также син-
хронизация скорости переноса заряда и движения изображения.
Во время каждого периода тактового питания сигналы от всех
чувствительных элементов добавляются тогда в необходимой
фазе к ранее накопленным зарядовым пакетам [227]. Этот спо-
соб временной задержки и накопления может быть реализован
с помощью устройств, находящихся в фокальной плоскости оп-
тической системы или вне этой плоскости [228]. Если задерж-
ка и накопление происходят в отдельном приборе, то считыва-
ние в приемнике изображения не обязательно должно быть син-
хронизовано с движением изображения или сканирующего
устройства. Можно взять несколько последовательных отводов
от приемника и подключить их к отдельному накопителю, в ко-
тором зарядовые пакеты переносятся параллельно и с необходи-
мой задержкой в выходной регистр с электродами переноса
большой емкости, где накапливается общий сигнал. Использо-
вание отдельного кристалла дает дополнительное преимуще-
ство, которое заключается в том, что плотность размещения
фоточувствительных элементов в фокальной плоскости не огра-
ничивается необходимостью расположения здесь же цепей обра-
ботки сигнала. Другое преимущество состоит в том, что можно
получить большие значения динамического диапазона при регу-
лировании скорости считывания с приемника изображения и
лучшее отношение сигнал/шум при вычитании фона, осуществ-
ляемом до задержки и накопления сигнала.
5.3.	ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ
ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПЗС
В твердотельном приемнике изображения цепи считывания,
канал переноса заряда и собственно чувствительные в ИК-об-
ласти элементы формируются на одной подложке. В настоящее
время проводятся исследования широкого круга материалов,
которые можно использовать в качестве подложки.
Приемники ИК-изображения на основе барьеров Шоттки
Преимущества использования кремния в качестве подложки
для приемников ИК-изображения связаны с высоким уровнем
развития технологии этого материала. В кремниевой подложке
можно создать диоды Шоттки, которые используются как чув-
ствительные фотоэмиссионные элементы [229]. Вначале такой
Приемники изображения на ПЗС
215
диод смещается в обратном направлении. При этом подложка
n-типа под ним находится в состоянии обеднения. Затем метал-
лический электрод отключается от источника напряжения. Па-
дающее ИК-излучение поглощается в слое металла или сили-
цида металла и возбуждает носители, энергия которых близка
к уровню Ферми. Эти носители обладают достаточным импуль-
сом, чтобы пройти над внутренним энергетическим барьером
диода Шоттки в полупроводник. В результате сокращается
глубина обедненной области и падает поверхностный потенциал
полупроводника. Плавающий металлический электрод в это вре-
мя находится под потенциалом, близким к поверхностному, и
подключен к затвору, который управляет перетеканием заряда
в регистр сдвига на ПЗС, служащий для считывания сигналов.
Заряд, соответствующий фоновому излучению, можно вычесть
из общего сигнального заряда, если установить подходящее
смещение истока. В этом случае будет считываться только конт-
растная модулированная часть сигнального заряда. В работе
[230] описан 64-элементный приемник изображения на основе
диодов Шоттки из палладия и кремния /?-типа. Обнадеживаю-
щие результаты были получены также и при использовании ге-
теропереходов PbS — Si в качестве приемников ИК-изображе-
ния [231].
Достоинствами приемника с барьерами Шогтки являются
высокая повторяемость и однородность чувствительности в пре-
делах 1%, обусловленная тем, что фотогенерация носителей
происходит в металле. Однако квантовый выход фотоэмиссии
0 в этом процессе достаточно низкий. Он определяется выра-
жением
g__q {hv 'Ipffls)2
1 hv '
где hv — энергия фотона и Ci — постоянная величина, завися-
щая от свойств металла [232, 233]. Например, золото на крем-
нии р-типа обеспечивает «красную границу» чувствительности
3,1 мкм. При 77 К квантовый выход равен приблизительно 0,01
[229, 234].
Приемники ИК-изобра/нсения на основе полупроводников
с примесным поглощением излучения
Другой путь создания приемников ИК-изображения на
кремниевой подложке состоит в использовании подходящих ле-
гирующих примесей (таких, как фосфор [235], галлий [226] или
индий [236]). При ионном внедрении примеси можно ввести се-
лективно непосредственно в фоточувствительные области. Рабо-
чая температура приемника должна быть выбрана достаточно
низкой, чтобы эта примесь была выморожена и ионизировалась
216
Глава 5
ИК-излучением. В работе [226] описан такой приемник с обла-
стями, локально легированными галлием. Сигнальный заряд
подается в области хранения, которые снабжены диодами, пред-
отвращающими переполнение потенциальных ям или растека-
ние. В этот прибор встроена также цепь вычитания фона, так
что для считывания заряда, представляющего лишь контраст-
ную часть ИК-излучения, можно использовать регистр сдвига
с электродами небольшой емкости.
Если весь приемник, включая каналы считывания, легирован
такой примесью, то он имеет характеристики ПЗС на основных
носителях (гл. 2, разд. 2.3). Такой приемник ИК-изображения
был сделан на подложке, легированной фосфором [237], и рабо-
тал при температуре 4,2 К.
Приемники ИК-изображения на узкозонных полупроводниках
Существует множество узкозонных полупроводников, кото-
рые в принципе можно использовать для ППЗ, чувствительных
в ИК-Диапазоне. Для ближней инфракрасной области таким
полупроводником является германий с шириной его запрещен-
ной зоны Eg ж 0,67 эВ, что соответствует «красной границе»
чувствительности 1,85 мкм. В работе [57] описан короткий двух-
фазный ПЗС на германии, в котором были применены ступен-
чатый диэлектрик из нанесенной на поверхность двуокиси крем-
ния и самосовмещенные алюминиевые электроды, полученные
напылением под косым углом. Отжиг на воздухе при 400 °C по-
зволил получить плотность поверхностных состояний 1-
• 1011 см-2 эВ-1. При 200 К темновой ток составил 1 мкА-см~2, и
неэффективность переноса была 2,5-10-2 при 20%-ном уровне
непустого нуля.
Для ИК-детекторов были использованы и другие узкозонные
полупроводники, такие, как InAs, InSb и Hgo^Cdo^Te с шириной
запрещенной зоны 0,4, 0,23 и 0,09 эВ и с «красной границей»
чувствительности Хс 3, 5,4, 4 и 14 мкм соответственно. Возмож-
ности реализации ПЗС на основе этих соединений и соответ-
ствующие свойства материалов обобщены в работах [225, 238].
Авторы работы [239] исследовали возможности использования
РЬТе и РЬ0,7б Sn0,24Te с шириной запрещенной зоны 0,2 и 0,1 эВ
и «красной границей» 5,6 и 12 мкм. Эти вещества, обладающие
большими диэлектрическими постоянными 8S, могли бы соче-
таться с такими диэлектриками, как TiO2 и Та2Об, имеющими
es = 75 и 8S = 50 соответственно.
Результаты исследования свойств МДП-структур (металл —
диэлектрик — полупроводник) на узкозонных полупроводниках
с целью использования этих материалов в качестве подложки
для твердотельных приемников ИК-изображения на ПЗС ока-
Приемники изображения на ПЗС
217
зались обнадеживающими для InSb [240]. При температуре 77 К
наблюдались времена хранения несколько сотен миллисекунд.
Результаты исследования действия одноячеечной структуры по-
казали, что InSb можно использовать для изготовления чувстви-
тельного в ИК-Диапазоне приемника с зарядовой инжекцией. На
структурах с PbS при температуре 77 К были получены времена
хранения 2,3 с [241]. Рассматривая времена хранения в ИК-си-
стемах, необходимо помнить, что фоновое излучение обычно
уменьшает времена накопления заряда в МОП-конденсаторе до
относительно низких значений порядка нескольких миллисекунд
для области 3—5 мкм и нескольких сотен микросекунд для об-
ласти 8—14 мкм.
5.4.	ГИБРИДНЫЕ ПРИЕМНИКИ
ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПЗС
Прямая инжекция
В гибридных приемниках ИК-изображения массив чувстви-
тельных в ИК-Диапазоне детекторов из любого подходящего ма-
териала подключен к кремниевому ПЗС, который выполняет
функцию считывания. В одной из конструкций генерируемый
ИК-излучением заряд от массива внешних детекторов можно
инжектировать непосредственно в ПЗС через специальные вход-
ные диоды и затворы [225, 227, 238]. Считывание сигнала авто-
матически обеспечивает предварительное смещение детектирую-
щих диодов для следующего периода накопления. Защищенный
от переполнения сток можно использовать для предотвращения
растекания зарядовых пакетов от ярких пятен и для удаления
заряда, обусловленного фоном. При этом регистром сдвига счи-
тывается лишь модулированный сигнал.
Непрямая инжекция
В других конструкциях отклик чувствительного в ПК-области
элемента используется для управления величиной заряда, ин-
жектированного в канал считывания ППЗ. Интегральный
Гибридный приемник ИК-изображения на основе пленочных фо-
тосопротивлений и ПЗС был предложен в работах [225, 238]. Фо-
тосопротивление, которое может быть затвором полевого тран-
зистора, управляющего перетеканием заряда в ПЗС, включено
в схему делителя напряжения. Потенциал затвора, а следова-
тельно, величина заряда, перетекающего в ПЗС, управляется
освещением. Эта схема может быть полезной для получения
требуемой однородности чувствительности приемника. Не-
обходимо применять также способы ввода, когда величина
218
Глава 5
инжектированного в ПЗС заряда не зависит от порогового на-
пряжения (гл. 3, разд. 3.1).
Охлаждения, которое необходимо для приемников с фото-
сопротивлениями, можно избежать, если использовать приемник
теплового типа. В настоящее время лучшие характеристики
имеют пироэлектрические кристаллы триглицинсульфата (ТГС).
В приемниках на основе пироэлектрика тепловое излучение изо-
бражения нагревает кристалл и вызывает зависящее от темпе-
ратуры изменение его спонтанной электрической поляризации
вдоль кристаллографической оси (0 0 1). В результате появ-
ляется напряжение, которое для изолированного кристалла в си-
стеме с идеальным объективом, имеющим светосилу 1 : 1, и мо-
дуляцией на частоте 10 Гц равно приблизительно 200 мВ/°С.
Такие пироэлектрические кристаллы используются в одноэле-
ментных ПК-детекторах [222], передающих трубках [242, 243] и
в гибридных массивах [244, 245]. Обычно пироэлектрические
кристаллы являются изоляторами, и для получения непрерыв-
ного выходного сигнала надо использовать модулятор или дви-
жущееся изображение. Однако в работе [246] уже сообщается
о проводящем пироэлектрическом материале.
Пока не опубликовано никаких результатов по приборам с
переносом заряда, объединенным с пироэлектрическими детек-
торами, ни в полностью гибридной форме, ни в виде пироэлек-
трических кристаллов, приведенных в контакт или нанесенных
на кремниевые приборы. Однако такие приемники не надо ох-
лаждать и это будет стимулировать усилия в направлении их
разработок, хотя для достижения температурного разрешения
0,1 °C необходимо преодолеть значительные трудности. Чувстви-
тельность пироэлектрических детекторов существенно ниже, чем
квантовых ПК-детекторов, что является большим недостатком.
Из приведенного краткого обзора использования приборов
с переносом заряда для преобразования изображения в видео-
сигнал в ИК-диапазоне следует, что выбор способов и схем счи-
тывания здесь более обширный, чем в других областях примене-
ния ППЗ. Таким образом, в настоящее время невозможно
выделить единственный подход, который с наибольшей вероят-
ностью обеспечил бы успех. Различные требования для разных
применений приведут, вероятно, к нескольким разным вариан-
там конструкций приемников ПК-изображения.
Глава 6
ППЗ в устройствах обработки сигналов
Большинство применений ППЗ в устройствах обработки сиг-
налов основывается на возможности этих приборов обеспечивать
точную управляемую задержку аналогового сигнала. Первона-
чально схемы с переносом заряда и затем пожарные цепочки
использовались в виде регулируемых линий задержки, предна-
значенных для компенсации колебаний скорости в магнитофо-
нах. В настоящее время ППЗ применяются для построения ли-
ний задержки, перекрывающих диапазон от звуковых частот
до частот телевизионных и радиолокационных сигналов. При ис-
пользовании ППЗ в качестве фильтров их основное назначение
заключается в обеспечении временной задержки либо в виде
нескольких отдельных линий задержки, либо в виде линий за-
держки с многочисленными отводами.
Необходимо подчеркнуть, что все так называемые аналого-
вые устройства обработки сигналов на ППЗ в действительности
работают с дискретными сигналами или, другими словами, с
амплитудно-модулированными импульсами. Аналоговые сигналы
напряжения преобразуются в зарядовые пакеты, которые затем
переносятся в ППЗ. Для устранения шумов квантования и по-
мех от импульсов тактового питания во всех подобных систе-
мах частотный спектр входного сигнала, тактовая частота и
выходная полоса пропускания системы должны удовлетворять
определенным ограничениям. ППЗ лишь тогда можно считать
аналоговым устройством, когда ширина полосы частот вход-
ного и выходного сигналов не превышает половины тактовой
частоты [247]. Задержку можно легко регулировать изменением
тактовой частоты, что является очень важной характеристикой
ППЗ: прибор более гибок и универсален по сравнению с дру-
гими типами линий задержки.
1.	АНАЛОГОВЫЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
Большая часть сведений, необходимых для проектирования и
расчетов аналоговых линий задержки на ППЗ, уже была пред-
ставлена в гл. 3 и 4. Поэтому мы лишь вкратце остановимся на
этих вопросах. По сравнению с ПЗС пожарная цепочка имеет
220
Глава 6
меньшую эффективность передачи, которую, однако, можно по-
высить. если использовать тетродную структуру [8] йли другие
способы подавления динамического эффекта проводимости сто-
ка. Другой недостаток пожарной цепочки заключается в боль-
шой величине шума переноса (2яТСм/з), сопровождающего каж-
дый перенос. ПЗС обычно имеет много меньший шум переноса.
На низких частотах выбор между ПЗС с поверхностным кана-
лом или ПЗС с объемным каналом зависит главным образом от
соотношения величины сигнала, темнового тока и шумовых ха-
рактеристик. Из габл. 6.1 видно, что 256-элементный ПЗС с объ-
емным каналом, несмотря на меньшую величину сигнала, имеет
немного большее отношение сигнал/шум. Однако и ПЗС с объ-
емным каналом, и ПЗС с поверхностным каналом обеспечивают
Таблица 6.1
Сравнение шумовых характеристик 256-элементных ПЗС с поверхностным
и объемным каналом (ширина элемента 200 мкм, длина 30 мкм)
Источник шума	Эквивалентный шум, электрон/зарядовый пакет	
	ПЗС с поверхност- ным каналом	ПЗС с объемным каналом
Электрический ввод:	600-900 (220 а))	
Смещающий заряд		—
Сигнал	600-900 (220 а))	600-900 (220 а))
Захват на поверхностные состояния (A^s = l . ю9 см-2-эВ-1 ^ = 2-lOH см-3)	720	70-370
Усилитель	180	180
(Со=О,2 пФ)		(несколько электронов б^)
Темновой ток для 1 мс задержки (10 пА см~* 2)	60	60
Суммарный шум	960 (770 а))	720 (230 а’б))
Максимальный сигнал для Vp = 14 В	40 • 108	20- 106
Динамический диапазон	94 дБ а)	99 дБ а'б)
Примечания. 1. В круглых скобках приведены расчетные параметры:
а) Значение соответствует теоретическому пределу, задаваемому выражением
б) Значение вычислено при использовании идеального усилителя.
2. Значения параметров вне круглых скобок получены экспериментально.
ППЗ в устройствах обработки сигналов
221
динамический диапазон более 90 дБ. Для работы на высоких
частотах, превышающих, например, 5—10 МГц, необходимо ис-
пользовать ПЗС с объемным каналом, который обладает силь-
ным краевым полем.
Частотная характеристика устройства с одним каналом, обу-
словленная неэффективностью переноса, была уже приведена
Усилитель	Усилитель
Фиг. 6.1. Основные элементы аналоговой линии задержки, выполненной (а)
на одном ПЗС и (б) на двух двухфазных ППЗ, работающих в двухполу-
периодном режиме. Так как эти устройства работают с импульсными сигна-
лами, то на входе и выходе ППЗ необходимы фильтры.
на фиг. 4.6. Влияние неэффективности переноса уменьшается
при использовании двух и более параллельных каналов, кото-
рые работают на частоте, соответственно более низкой (в два
и более раз). Причем входные сигналы поступают в параллель-
ные каналы поочередно. Два, три или четыре канала соответ-
ственно с двух-, трех- и четырехфазными ПЗС организовать
таким образом довольно просто, так как их входы могут управ-
ляться одним электродом. Другим способом снижения влияния
неэффективности переноса, который будет рассмотрен ниже, яв-
ляется применение трансверсальной фильтрации. Введение ком-
пенсирующей обратной связи также снижает влияние неэффек-
тивности переноса, что было продемонстрировано на пожарных
цепочках [248].	- -
222
Глава в
Основной способ построения аналоговых линий задержки на
ППЗ и три простых пути улучшения их функционирования
проиллюстрированы на фиг. 6.1 и 6.2. На фиг. 6.1, а показаны
низкочастотные фильтры, ограничивающие спектральный состав
Усилитель
5
Фиг. 6.2. Объединение двух ПЗС на дифференциальном усилителе для улуч-
шения низкочастотных характеристик (а) и использование ПЗС с последова-
тельно-параллельно-последовательной организацией для увеличения произведе-
ния времени задержки на полосу пропускания (б).
сигналов, подаваемых на ПЗС и снимаемых с них. Частота от-
сечки таких фильтров не превышает половины тактовой частоты.
Фильтры и импульсный формирователь выполняются на одном
кристалле с линией задержки. На фиг. 6.1, б приведена схема
двух двухфазных устройств, работающих в противофазе, так что
входной сигнал квантуется попеременно каждые полпериода.
В этом случае, если используется та же тактовая частота /с,
что и в устройстве, показанном на фиг. 6.1, а, то эффективная
частота квантования удваивается. Следовательно, требования на
фильтры могут быть ослаблены, если требуется та же ширина
полосы сигнала fc/2. Улучшение параметров может также дости-
ППЗ в устройствах обработки сигналов
223
гаться за счет объединения двух идентичных каналов на диффе-
ренциальном усилителе [249] (фиг. 6.2,а). Два одинаковых ка-
нала переноса заряда работают параллельно на частоте fCi и на
их входы подаются исходный и инвертированный сигналы. Два
выхода подсоединены к дифференциальному усилителю с высо-
ким коэффициентом подавления синфазного сигнала. Используя
это устройство, паразитную постоянную составляющую, которая
обычно появляется на тактовой частоте вследствие переключе-
ния выходного уровня от начального состояния до истинного
сигнала, можно уменьшить на 50 дБ и более [249]. Одновремен-
но на выходе устройства ослабляются помехи от импульсов так-
тового питания, которые, следовательно, могут быть отфильтро-
ваны при менее крутом срезе частотной характеристики
фильтра, что уменьшает нежелательный фазовый сдвиг. При
дифференциальном способе работы устройство имеет плоскую
частотную характеристику от нулевой частоты до частоты Найк-
виста и устраняется зависимость постоянной составляющей вы-
ходного сигнала от дополнительно вводимого по входу смещаю-
щего заряда, необходимого для оптимальной работы прибора.
Кроме того, этот способ приводит также к гашению в первом
приближении температурной зависимости темнового тока и бе-
лого шума в тактовых импульсных наводках, которые появляют-
ся в одноканальных устройствах; во входных и выходных цепях
компенсируются искажения четных гармоник. Двухканальный
ПЗС такой конструкции был описан в работе [250].
Произведение задержки на полосу пропускания TdB для ли-
нии задержки на ППЗ с одним каналом содержащим N эле-
ментов, дается выражением
(6.D
Максимальное число каскадов, которое можно использовать, не
вводя дополнительных потерь в полосу пропускания из-за не-
эффективности переноса, определяется величиной 8 и числом
фаз р. Например, при Npe 0,2 частотная характеристика на
частоте Найквиста уменьшится не более чем на 3 дБ и в каче-
стве верхнего предела величины TdB можно принять оценку
(6-2)
Для ПЗС с поверхностным каналом при типичных значениях
8 = 2-10—4 имеем
rdB<250.
При использовании М параллельных каналов это произведение
может быть в принципе увеличено в М раз. Однако в этом слу-
чае более важно поддерживать значение Npe ниже 0,2, так как
224
Глава 6
передаваемый зарядовый пакет в данной линии отделен от со-
седнего пакета М — 1 пакетами, проходящими по другим кана-
лам, что приводит к максимальному воздействию на частотную
характеристику при частоте, в М раз меньшей частоты Найк-
виста [251].
Одним из методов выполнения параллельных передающих
каналов для увеличения каскадов задержки является использо-
вание одного ППЗ с последовательно-параллельно-последова-
тельной (ППП) организацией (фиг. 6.2,6). При этом умень-
шается число переносов каждого зарядового пакета до 714 Д- 7V;
общее число элементов, содержащихся в матрице, равно 7ИЛ7.
Для больших значений MN, например для значений, больших
103, такая организация значительно снижает требования к не-
эффективности переноса, а также потребляемую мощность.
Максимально достижимая задержка, которая может быть
получена на ППЗ, ограничивается темновым током. В тех слу-
чаях, когда все зарядовые пакеты проходят через одни и те же
элементы, а тактовые импульсы непрерывно идут с постоянной
частотой, во все зарядовые пакеты добавляется одно и то же
количество заряда, даже если темновой ток пространственно
неоднороден. Темновой ток в таком случае главным образом
ограничивает динамический диапазон и обусловливает дополни-
тельный шум (гл. 4, разд. 5). Более существенная деградация
сигнала наступает тогда, когда перенос пакетов не непрерывен
и в устройстве накапливается стационарный зарядовый рельеф;
в этом случае на сигнал будут накладываться пространственные
неоднородности. Такие явления наблюдаются также в устрой-
ствах сжатия и расширения сигналов во времени [6], в буфер-
ных устройствах, где возбуждающая частота изменяется, как
только устройство примет определенное количество информа-
ции. Эти приемы можно использовать для сжатия речевого сиг-
нала во времени без частотных искажений, т. е. для увеличения
скорости сообщений без эффекта «утенка Дональда» 9 [252].
Имеется по крайней мере два применения дешевых аналого-
вых линий задержки в телевидении: для линейной интерполяции
в приемниках, используемых в системах ПАЛ и СЕКАМ; и для
коррекции отклонения скорости в устройствах видеозаписи, где
требуются тактовые частоты до 50 МГц. Задержка телевизион-
ных сигналов линейными ПЗС была продемонстрирована и опи-
сана несколькими авторами [6, 7, 94, 253—255]. Задержка теле-
визионного сигнала на 16 мкс в последовательно-параллельно-
последовательном устройстве размером 106X 128 элементов
была получена в работах [18, 94]. Мультиплексный вариант, ис-
1)	Имеется в виду персонаж мультипликационных фильмов У. Диснея,
говорящий неестественным «механическим» голосом. — Прим. ред. ,
ППЗ в устройствах обработки сигналов	225
пользующий 10 параллельно передающих каналов (каждый по
64 элемента), был применен для задержки цветного телевизион-
ного сигнала при эффективной скорости выборок 10,7 и 14,3 МГц
с хорошей фазовой характеристикой [256].
Стробированные аналоговые линии задержки используются
в индикаторах движущихся целей в радиолокационных системах
[257—260]. В этом случае отраженный сигнал первого импульса
вычитается из отраженного сигнала следующего импульса.
В результате устраняются отражения от стационарных непод-
вижных объектов и определяются движущиеся цели.
Матрицы аналоговых линий задержки можно использовать
для создания антенны с электронной фокусировкой и сканиро-
ванием. Обычно антенна фокусирует благодаря фазовым за-
держкам, обусловленным ее формой. Объединяя плоскую мат-
рицу преобразователей с программируемыми линиями на ПЗС,
получаем матрицу с управляемой диаграммой направленности.
Подобные устройства представляют значительный интерес для
применений в медицине, сейсмологии и подводной звуколокации
[261].
Устройства аналоговой задержки можно использовать также
для выполнения аналого-цифрового преобразования. В работе
[262] аналоговое устройство задержки на ППЗ служило для
накопления остатков при последовательном аналого-цифровом
преобразовании. В работах [263, 264] описан интегратор на ПЗС
для повторяющихся шумовых колебаний [263, 264], предназна-
ченный для улучшения отношения сигнал/шум. Приходящий сиг-
нал подается в петлю (содержащую ПЗС), по которой синхрон-
но рециркулируют суммируемые сигналы; коэффициент усиле-
ния петли меньше 1.
2.	МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
Другим типом операций обработки сигналов, который ча-
сто требуется в электронных системах связи, является объеди-
нение нескольких каналов в один — мультиплексирование (уп-
лотнение). Системы с временным уплотнением могут быть
проще, чем системы с частотным уплотнением, так как в послед-
них требуются сложные устройства модуляции, демодуляции и
фильтрации. Дискретная информация при временном уплотне-
нии обрабатывается с помощью цифровых логических схем.
Основными операциями становятся мультиплексирование и
демультиплексирование дискретных сигналов из нескольких па-
раллельных потоков информации. Основные устройства на ПЗС,
выполняющие эти операции, показаны на фиг. 6.3. В первом уст-
ройстве (фиг. 6.3, а) выбирается по одному импульсу из М ка-
налов, которые должны быть уплотнены. Импульсы параллельно
8 Зак. 816
226
Глава 6
поступают в ППЗ и поочередно считываются из устройства в по-
следовательной форме. Импульсный процесс на параллельных
входах приводит к тем же самым требованиям, что и для про-
стой линии задержки, как описано в предыдущем разделе. Во
втором устройстве (фиг. 6.3,6) последовательность импульсов
из каждого канала считывается в дополнительные регистры.
входные каналы
Выходные каналы
а
Входные каналы
1 а м
Управляющий— НН у / ♦ НН
электрод
------#------
Мультиплексор
Демультиплексор
-------Д-------
Управляю—- WW	trrl НН
щии электрод I [
5
1	2 м
Выходные каналы
Фиг. 6.3. Мультиплексор на ППЗ с прямой передачей сигналов в регистр (й)
и использованием деления сигнала на отрезки, состоящие из нескольких им-
пульсов, которые считываются в индивидуальные входные регистры и парал-
лельно передаются в главный регистр (б).
Когда эти регистры заполняются, заряд по команде передается
параллельно в главный канал. Дополнительные регистры затем
снова заполняются, в то время как информация выводится из
главного канала. Этим достигается непрерывный ввод потоков
сигналов. Демультиплексирование (операция, противоположная
мультиплексированию) достигается заменой входов выходами.
Мультиплексоры и демультиплексоры могут быть усовершен-
ствованы теми же самыми ранее рассмотренными способами,
например путем использования дифференциального способа счи-
тывания, который был описан в предыдущем разделе для линий
задержки.
Перекрестные помехи между отдельными каналами инфор-
мации в аналоговых мультиплексорных системах заслуживают
ППЗ в устройствах обработки сигналов
227
отдельного рассмотрения. В ППЗ смешение возникает из-за ко-
нечной неэффективности переноса в точках, в которых соседние
сигнальные зарядовые пакеты принадлежат различным потокам
информации. Перекрестные помехи от предыдущего зарядового
пакета на последующий должны быть на (—20 log е) дБ ниже
уровня сигнала. Для защиты информации, принадлежащей раз-
ным входным каналам, можно ввести дополнительные неинфор-
мативные зарядовые пакеты. Нередко это необходимо из дру-
гих соображений (из-за особенностей конструкции входных
разветвлений мультиплексора и выходных разветвлений демуль-
типлексора и топологических ограничений). Каждый дополни-
тельный зарядовый пакет, введенный между основными, ослаб-
ляет связь между смежными каналами на (—20 log ё) дБ. В ра-
ботах [114, 265] описаны простые мультиплексоры, а в работе
[250] — уже более сложные.
Мультиплексирование нескольких сигнальных каналов с по-
мощью ППЗ важно также и с экономической точки зрения. На-
кладные расходы, связанные с такими периферийными схемами,
как входные и выходные полосовые фильтры, импульсные фор-
мирователи, управляющие тактовые генераторы и схемы синхро-
низации, составляют основную стоимость изделия. Мультиплек-
сирование и обработка нескольких каналов на одном и том же
ППЗ пропорционально уменьшают удельные накладные расходы,
в то время как число передающих ячеек в ППЗ увеличивается
незначительно.
3.	РЕКУРСИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ
ППЗ представляют собой линии задержки для дискретных
аналоговых сигналов. Они обеспечивают задержку, величина
которой точно регулируется и которая совершенно не зависит
от частоты входного сигнала. Следовательно, они пригодны для
построения определенного класса электронных фильтров, из
которых мы подробно рассмотрим фильтры рекурсивного и
трансверсального типа. Эти фильтры, используемые для дискрет-
ных во времени сигналов, часто называют цифровыми фильт-
рами, так как до недавнего времени они рассматривались толь-
ко как цифровые устройства. Термин «цифровой фильтр» неуда-
чен и неточен по отношению к системам обработки аналоговых
дискретных сигналов на ПЗС. Рекурсивные фильтры образуют
более общий класс фильтров, так как для формирования частот-
ной характеристики в них используется как обратная, так и пря-
мая связь (фиг. 6.4). Благодаря обратной связи импульсная
характеристика идеального рекурсивного фильтра может быть
неограниченной во времени и по амплитуде, в то время как им-
пульсная характеристика трансверсального фильтра конечна и
время отклика ограничено числом каскадов линии задержки.
8*
228
Глава 6
Как мы увидим ниже, реализации этих двух типов фильтров
могут сильно различаться, поэтому выбор того или иного типа
фильтра определяется на основе компромисса между стои-
мостью и производительностью устройства.
Фиг. 6.4. Общая схема рекурсивного
фильтра с обратной и прямой связью.
Общая схема рекурсивного фильтра TV-го порядка показана
на фиг. 6.4. Его передаточная характеристика в обозначениях
^-преобразования имеет вид
£ V-*
Я(г-') = -4^-------(6.3)
1 - £ Ькг R
где корни полинома числителя определяют нули передаточной
функции, а корни знаменателя — полюсы. Рекурсивные фильтры
ППЗ в устройствах обработки сигналов
229
разных порядков получаются выбором верхнего значения fe,
а трансверсальные фильтры получаются путем обращения всех
коэффициентов обратной связи bk в нуль.
Фиг. 6.5. Фильтрация с помощью аналоговых линий задержки.
а—трансверсальный фильтр первого порядка с петлей прямой связи; б —рекурсивный
фильтр первого порядка, в — рекурсивный фильтр второго порядка с регулируемыми
коэффициентами.
На примерах, изображенных на фиг. 6.5, поясняется, как ана-
логовые линии задержки используются для реализации про-
стого фильтра с прямой связью и рекурсивного фильтра вто-
рого порядка. В первом случае (фиг. 6.5, а) оба сигнала на
входе операционного усилителя будут в фазе при всех частотах,
которые задерживаются на время, кратное периоду сигнала.
230
Глава 6
Фиг. 6.6. Амплитудная характеристика рекурсивного фильтра второго порядка,
построенного на двух 10-элементных пожарных цепочках [266] для фиксиро-
ванных значений коэффициентов (а); зависимость резонансной частоты от ве-
личины коэффициента Ь\ (б).
Таким образом, передаточная функция обращается в нуль на всех
этих частотах и схема ведет себя подобно режекторному фильт-
ру. Наоборот, схема, показанная на фиг. 6.5,6, обеспечивает по-
ложительную обратную связь для всех сигналов, которые задер-
живаются на нечетное целое число полупериодов сигнала. Ее
передаточная функция имеет, максимум на этих частотах, и
схема действует как полосовой фильтр. В случае когда коэф-
ППЗ в устройствах обработки сигналов
231
фициент Ь\ становится больше 1, схема нестабильна и ее можно
использовать как генератор.
На фиг. 6.5, в показан рекурсивный фильтр второго порядка
с регулируемыми коэффициентами. Он представляет собой на-
страиваемый полосовой фильтр [266, 267]. Амплитудная харак-
теристика такой схемы, построенной на двух 10-элементных по-
жарных цепочках (работающих на частоте 10 кГц), приведена
на фиг. 6.6, а. Различные значения добротности Q получаются
изменением отношения b\/bz. На фиг. 6.6,6 приведена зависи-
мость резонансной частоты от Ь{.
Фильтр второго порядка очень похож на резонансный контур,
поэтому вычислим его такие параметры, как добротность Q,
центральная частота и ширина полосы, в зависимости от его
коэффициентов [266]. Передаточная функция схемы, приведен-
ной на фиг. 6.5, в, в обозначениях ^-преобразования при z =
= ехр (jtosT) имеет вид
Н^ = ^-ь^ьг’	(6.4)
и ее полюсы расположены в точках
Y^2
У1,2 = -г±Гг-Ч) •	(6.5)
Из анализа следует, что, когда &2->1, добротность схемы воз-
растает, и для больших значений Q резонансная частота fr запи-
сывается в виде
fr = —arc cosf—7=/)	(6.6)
г 2лТ \2^b2Jf	7
где Т — время задержки на секцию. Кроме того, для больших
Q полоса пропускания ВW на уровне 3 дБ приблизительно
равна
BW = J_|ln уг2|.	(6.7)
Из выражений (6.6) и (6.7) находим выражение для добротно-
сти фильтра	_
Q= ar””^Va .	(6.8)
I In b21	x 1
Рекурсивные фильтры благодаря своим полосовым частот-
ным характеристикам используются в качестве настраиваемых
приемников. Кроме того, они могут использоваться и как на-
страиваемые генераторы [267]. Точная частота генерации будет
зависеть от нелинейности, стабилизирующей амплитуду колеба-
ний, и, следовательно, от усиления в петле обратной связи.
232
Глава 6
Поэтому для получения необходимой звуковой частоты требуется
подстройка коэффициентов обратной связи или управление так-
товой частотой.
В ряде случаев необходимы устройства с более прямоуголь-
ной полосой пропускания или даже более сложной передаточ-
ной характеристикой (с несколькими полосами пропускания и
подавления). Такими частотными характеристиками обладают
фильтры более высокого порядка и фильтры второго порядка,
соединенные в последовательные и параллельные цепи [268].
Однако каждая обратная связь в рекурсивном фильтре и каж-
дый блок в составном фильтре добавляют входные цепи, где
инжектируются дополнительные сигнальные и вспомогательные
(для образования непустого нуля) зарядовые пакеты. Это ус-
ложняет схемы и служит источником искажения сигналов. По-
этому может оказаться выгодным реализовывать нужную фильт-
рующую функцию на рекурсивном фильтре высокого порядка и
сохранять сигнальные зарядовые пакеты в одном передающем
канале на все необходимое время задержки.
Реализация таких фильтров относительно проста. Линии за-
держки, предназначенные для отдельных информационных ка-
налов, состоят из небольшого числа каскадов. Кроме того, воз-
можно мультиплексирование нескольких каналов на одном
фильтре [268]. В этом случае линии задержки будут иметь боль-
шее число элементов, но зато сокращается количество точных
резисторов и усилителей, которые работают в режиме разделе-
ния времени. Блок-схема такого мультиплексного фильтра при-
ведена на фиг. 6.7. В любой момент времени на входах и вы-
ходах устройств присутствуют сигналы только одного информа-
ционного канала, которые и обрабатываются суммирующими
схемами. Все другие сигналы в это время находятся в линиях
задержки. По мере их синхронного прохождения по линиям за-
держки они также подвергаются последовательной обработке.
Если функции мультиплексирования, демультиплексирования и
задержки выполнить на элементах с переносом зарядов и сум-
мирующие усилители и прецизионные весовые элементы изго-
товить на том же самом кристалле, то в результате получатся
очень компактные многоканальные фильтры.
Набор рекурсивных фильтров второго порядка с 16 мульти-
плексными каналами описан в работе [269]. Система имела про-
граммируемые весовые коэффициенты, так что у каждого ин-
формационного канала была своя собственная фильтрующая
функция. Различные коэффициенты прямой и обратной связи
хранились в трех группах постоянного ЗУ, из которых они по-
давались к трем множительным устройствам с цифро-аналого-
выми преобразователями в течение соответствующих времен-
ных пауз.
ППЗ в устройствах обработки сигналов
233
В работе [250] описаны ПЗС с удвоенными каналами и
встроенными в кристалл дифференциальными усилителями. Сек-
ция длины Т, сконструированная из 24 элементов, позволяет
входных каналов
М
выходных каналов
Фиг. 6.7. Блок-схема мультиплексного обобщенного фильтра второго порядка.
Импульсы от М информационных каналов последовательно обрабатываются
суммирующим усилителем, работающим в режиме разделения времени.
мультиплексировать 12 каналов. В ней для исключения пере-
крестных помех между каждыми двумя основными элементами
включен дополнительный элемент. Вместо двух последовательно
соединенных секций длиной Т или секции удвоенной длины с
отводами были использованы две отдельные пары передающих
каналов, обеспечивающие задержку величиной Т и 2Т (фиг. 6.7),
234
Глава 6
При таком подходе устраняются трудности, связанные с после-
довательным соединением устройств или построением высоко-
качественных отводов, и становится возможным использование
дифференциальных усилителей на каждой паре линий задерж-
ки. Этот способ («органная труба») довольно просто распро-
странить на фильтры более высоких порядков и линии задерж-
ки с множественными отводами.
Влияние неэффективности переноса в рекурсивных фильтрах
на ПЗС можно предсказать, используя результаты, полученные
в гл. 4, разд. 2.2. В простом фильтре второго порядка, где каж-
дая секция, осуществляющая операцию сдвига (г-1), имеет п
переносов, полюсы фильтра сдвигаются на величину пе, а ре-
зультирующие коэффициенты равняются bj (1 — пе), а\/(1 — пе)
и &2/(1—2/ге). Однако, если осуществляется мультиплексирова-
ние или дополнительные элементы используются между основ-
ными элементами, заряды, остающиеся после каждого переноса,
не учитываются и, следовательно, не искажают распределения
зарядовых пакетов. В результате полюсы не сдвигаются и они
точно определяются числом элементов линии задержки и такто-
вой частотой. Амплитудная характеристика фильтра в данном
случае определяется умножителями, усилителями и результи-
рующей неэффективностью переноса пе. Более сложное влияние
неэффективности переноса рассмотрено в работе [270].
4.	ТРАНСВЕРСАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ
В трансверсальных фильтрах [271] используются задержан-
ные во времени, взвешенные и просуммированные с соответ-
ствующими знаками входные сигналы для получения разнооб-
разных характеристик фильтров с ограниченной импульсной
характеристикой. На фиг. 6.8 приведена схема такого фильтра,
использующего линию задержки на ПЗС с множественными от-
водами. С помощью отводов осуществляется неразрушающее
считывание соответствующих локализованных потенциалов, соз-
данных зарядовыми пакетами в канале переноса. Каждому от-
воду придаются настраиваемые весовые коэффициенты hmy кото-
рые во время работы могут быть либо положительными, либо
отрицательными. Методы получения отводов и выполнения взве-
шивания и суммирования описаны ниже; здесь мы кратко изло-
жим теорию трансверсальных фильтров.
Импульсную характеристику трансверсального фильтра, со-
ответствующую подаваемому на вход единичному импульсному
сигналу, легко получить из анализа схемы на фиг. 6.8:
м
Ve(/)= Е hmb(t — mx),	(6.9)
ф =1
ППЗ в устройствах обработки сигналов
235
где т — задержка между эквидистантными отводами. Переда-
точную функцию произвольного трансверсального фильтра
Фиг. 6.8. Принципиальная схема трансверсального фильтра, использующего
линию задержки на ПЗС с отводами. Для получения весовых коэффициентов
обоих знаков используются два ряда весовых коэффициентов и дифферен-
циальный суммирующий усилитель.
можно найти из передаточной функции более общего рекурсив-
ного фильтра. Приравнивая нулю все коэффициенты обратной
связи bk в выражении (6.3), имеем
м
£ hmz~m.	(6.10)
m =1
Заменяя t на (t— М/2Т) иг-1 на ехр(—zTco) в уравнении (6.9),
найдем комплексную передаточную функцию обобщенного
трансверсального фильтра
S (До) = exp (zW7\o) У /zmexp(—zm7\o).	(6.11)
m = —M
Выбором соответствующих весовых коэффициентов можно по-
лучить разнообразные амплитудные и фазовые характеристики
фильтров.
236
Глава 6
4.1.	ФИЛЬТРЫ С ФИКСИРОВАННЫМИ ВЕСОВЫМИ
КОЭФФИЦИЕНТАМИ. СОГЛАСОВАННЫЕ ФИЛЬТРЫ
Одним из конкретных применений трансверсальных фильт-
ров являются согласованные фильтры [272]. Фильтр называют
согласованным с сигналом КД/), если его импульсная характе-
ристика V^(t) имеет обратный во времени ход по отношению к
КД/), т. е.
Кб(/) = 6КДА-/)	(6.12)
или для случая линии задержки с отводами
Кб (тГ) = hm = k Vs (А - mF),	(6.13)
где k и А — произвольные постоянные. Максимальный отклик
сигнала К0(/я'Г) появится на выходе согласованного фильтра
через время А = тТ после того, как сигнал, который согласован
с фильтром, был подан на его вход, и определяется выражением
м
Vo (тТ) - £ hm Vs (МТ - шТ) =	(6.14)
т«=1
М
= т2Х	<6'15>
т = 1
В согласованном фильтре вклады от каждого отвода сумми-
руются когерентно для согласованного сигнала, а случайный
шум дает на выходе сигнал, пропорциональный лишь hm. Таким
образом, увеличение отношения сигнал/шум в согласованном
фильтре оказывается пропорциональным числу отводов. Кроме
того, в присутствии белого аддитивного шума фильтр, согла-
сованный с детектируемым сигналом, дает возможность изме-
рять амплитуду сигнала или время его появления с высокой
точностью [162].
Реализации фильтров на ППЗ зависят от требований и це-
лей применения. В первых фильтрах, построенных на пожарных
цепочках [7], весовые коэффициенты получались путем разреза-
ния электродов. Аналогичным способом впоследствии были по-
строены фильтры на трехфазных ПЗС [273, 274]. Схема электро-
дов такого устройства показана на фиг. 6.9. Прохождение сиг-
нального заряда под разрезанными электродами (Р2а и Р2Ь в
данном случае) приводит к тому, что в каждой из разрезанных
фазовых шин протекает дополнительный заряд. Если использо-
ван высокоомный полупроводниковый материал с глубокой об-
ластью обеднения, наведенный заряд будет почти равен сиг-
нальному заряду. Взвешивание и суммирование выполняются
ППЗ в устройствах обработки сигналов
237
подсоединением разрезанных электродов к двум отдельным ши-
нам, связанным с Р2 через дифференциальный измеритель тока
(фиг. 6.9). Для получения чистого веса hm в каждом элементе
отношение длин отрезков его разрезанного электрода выбирает-
ся равным (1 +	— hm). Эти фильтры нашли широкое
применение для детектирования сигналов при наличии шума.
Фдг. 6.9. Трансверсальный фильтр на ПЗС с разрезанными электродами. Раз-
ность суммарных зарядов, наведенных на шинах Р2а и Р2Ь, служит выход-
ным сигналом в каждый интервал времени [274].
Разрезанные электроды одной из фаз можно подсоединить к
источнику постоянного напряжения через высокоомное сопротив-
ление. В этом случае устройство работает в (р—1)-тактном
режиме. Выходной сигнал представляет собой напряжение на
системе плавающих электродов [275, 276]. Этот способ реализо-
вать проще, но из-за ухудшения условий перетекания зарядов
под плавающими электродами он уменьшает динамический диа-
пазон (гл. 3, разд. 1.6).
Уже реализовано много согласованных фильтров с разре-
занными электродами. В простейших из них используются только
двоичные весовые коэффициенты, например для детектиро-
вания 13-разрядных кодов Баркера [273] и других р-п последо-
вательностей [125] в системах связи. Построение этих фильт-
ров особенно просто, поскольку двоичные весовые коэффициенты
^|-1 и —1 не зависят от точности положения разреза электродов.
Для обширной области применений требуются фильтры с
аналоговыми весовыми коэффициентами. На ПЗС с разрезан-
ными электродами могут быть построены любые трансверсаль-
ные фильтры: фильтры низких частот, полосовые, режекторные
a
S
Фиг. 6.10. Трансверсальный фильтр нижних частот с разрезанными электро-
дами (а) и наблюдаемая импульсная характеристика, которая соответствует
профилю разреза электродов (6) [277].
ППЗ в устройствах обработки сигналов
239
фильтры. Реализация полосового фильтра на основе 52-элемент-
ной пожарной цепочки описана в работе [7]; сообщения о по-
строении таких фильтров содержатся также в работах [125,
277—279]. На фиг. 6.10, а приведена микрофотография транс-
версального фильтра низких частот с разрезанными электродами.
Совершенно четко видны разрезы, и, как показано на фиг. 6.10, б,
форма кривой импульсной характеристики фильтра совпадает
с профилем разреза электродов. На фиг. 6.11, а и б приведены
расчетная и экспериментальная частотная характеристики этого
устройства и демонстрируется исключительное совпадение, ко-
торое было достигнуто. По горизонтальной оси не приводится
частотная шкала, так как форма кривой может быть нормализо-
вана тактовой частотой. В рассмотренном примере фильтр ра-
ботал на тактовой частоте 32 кГц и ширина полосы составляла
3,2 кГц.
Таким образом, для проектирования устройства с произволь-
ным видом частотной характеристики необходимо только знать
соответствующую ей импульсную характеристику. Главное ог-
раничение заключается в точности, с которой могут быть вы-
полнены разрезы. Это в свою очередь зависит от ширины ка-
нала, точности воспроизведения геометрических фигур генерато-
ром изображений, используемым для изготовления шаблонов,
точности процессов гравировки, используемых для разрезания
электродов. Другими источниками ошибок служат зависимость
емкости обедненного слоя от напряжения и колебания толщины
слоя окисла. В работе [280] проанализировано влияние ошибок
весовых коэффициентов на параметры трансверсальных фильт-
ров, особое внимание уделено ослаблению в полосе непропуска-
ния фильтра низких частот. Для того чтобы обеспечить подав-
ление не менее чем на 40 дБ, погрешность установки весовых
коэффициентов не должна превышать 0,5% их максимального
значения. На частотной характеристике, показанной на
фиг. 6.11,6, заметно влияние погрешностей в положениях раз-
резов электродов канала шириной 750 мкм, обусловленных от-
носительно большим шагом дискретности, равным 1,25 мкм. Од-
нако это полностью согласуется с формой частотной характери-
стики (фиг. 6.11, а), вычисленной для весовых коэффициентов
с тем же шагом дискретности.
Один из методов спектрального анализа колебаний заклю-.
чается в использовании набора полосовых фильтров рекурсив-
ного либо трансверсального типа. Этот подход особенно эконо-
мичен при использовании ПЗС, так как фильтры на ПЗС более
компактны, чем фильтры, изготовленные по другой технологии.
Кроме того, он дает возможность применить алгоритм г-преоб-
разования с линейной частотной модуляцией (chirp г-transform
algorithm — алгоритм CZT) для выполнения дискретного фурье-
Фиг. 6.11. Расчетная (а) и экспериментальная (б) частотная характеристики
устройства, показанного на фиг. 6.10, а [277].
ППЗ в устройствах обработки сигналов
241
преобразования. Преимущества использования этого алгоритма
в устройствах на ПЗС указаны в работах [18, 282, 284].
Алгоритм CZT вытекает из определения спектральной компо-
ненты Xh преобразования Фурье для частоты k
xk= £ xrtexp(-^),	(6.16)
n =0
где xn — мгновенное значение входного сигнала. Используя под-
становку
2nk = k2 + п2 — (k — n)2,	(6.17)
получаем
Xft = exp(^9 £ [xnexp(^^)exp(^^)]. (6.18)
п =0
В таком представлении алгоритм CZT распадается на три ча-
сти, а его выражение (6.18) содержит три члена:
1.	Умножение слева выборок входного сигнала на экспонен-
циальную функцию с линейно-изменяющейся частотой.
2.	Свертка на фильтре, имеющем импульсную характери-
стику с линейно-изменяющейся частотой.
3.	Умножение справа на экспоненциальную функцию с *ли-
пейно-изменяющейся частотой.
Если требуется определить только спектральную плотность
мощности, умножение справа заменяется операцией возведения
в квадрат. Блок-схема подобного устройства, в котором реали-
зуются операции только над действительными сигналами, пока-
зана на фиг. 6.12. Преимущество использования CZT-алгоритма
очевидно, так как большинство вычислений выполняются транс-
версальным фильтром с фиксированными весовыми коэффициен-
тами, который просто реализуется на ПЗС с разрезанными элек-
тродами.
Результаты, полученные на 200-каскадном фильтре, опубли-
кованы в работе [18], а результаты, относящиеся к 500-каскад-
ному устройству, — в работе [285]. Последнее устройство имеет
фильтры с синусоидальной и косинусоидальной формой импульс-
ной характеристики, а их весовые коэффициенты определяются
формулами
/г^=5т[я(т-ВД],	1</п<У,
hc°s = cos	, 1 < m N, (6.19)
В устройстве предусмотрена аподизация — добавочное взвеши-
вание весовых коэффициентов фильтра по способу Хэмминга
242
Глава 6
[286, 287], которое за счет модификации первого и последнего
весовых коэффициентов даег возможность строить фильтр ко-
нечной длины
= 0,54 + 0,46 cos 2п ( w ^2).	(6.20)
При использовании аподизации можно выполнить скользящее
CZT-преобразование. Преимущество этого преобразования со-
стоит в том, что требуется в 2 раза меньше каскадов фильтра
С05тг
Трансверсальный
фильтр
на ПЗС
Фиг. 6.12. Блок-схема устройства, выполняющего алгоритм ^-преобразования
с линейной частотной модуляцией для получения дискретного фурье-преобра-
зования [285].
и можно исключить паузу в поступлении анализируемого сиг-
нала, которая в обычном случае составляет 50% времени.
500-элементный фильтр на ПЗС был сделан в виде серпан-
тина. Входящие в его состав регистры имеют двухслойные элек-
троды и соединяются с помощью трех диффузионных областей,
расположенных по краям регистров. Неэффективность переноса
в регистрах на частотах от 1 кГц до 3 МГц составляла 2-10~4.
На фиг. 6.13, а приведена спектральная мощность частотно-мо-
дулированного сигнала, измеренная с помощью устройства на
I « I t t 1 1 1 1- t I t t 1 t 1 I i_i xJ
о 50	100	150	200 кГц,
a
Фиг. 6.13. Спектральная мощность (а) частотно-модулированного сигнала, по-
лученная с помощью устройства, блок-схема которого приведена на фиг. 6.12.
(Входная частота колеблется в пределах 50—100 кГц при Td == 0,11 мс Вы-
ходной сигнал имеет линейчатый спектр с периодом 1/Td — 9 кГц.) Средне-
квадратичная спектральная плотность мощности (б) того же сигнала, полу-
ченная обычным анализатором спектра [285].
244
Глава 6
500-элементном фильтре с аподизацией, а на фиг. 6.13, б при-
ведена та же характеристика, полученная на обычном анализа-
торе. Их совпадение подтверждает возможность выполнения ди-
вход
Вход
Выход „1"
Выход „О”
5
Фиг. 6.14. Коррелированные отклики 200-каскадного трансверсального фильт-
ра на пожарных цепочках с разрезанными электродами, согласованного с ли-
нейно-частотно-модулированными сигналами [284], при отсутствии шума (а)
и при наличии шума (б).
скретного преобразования Фурье на одной или двух интеграль-
ных схемах. Такая реализация фильтров обеспечивает низкую
стоимость, малые размеры, легкость получения весовых коэф-
фициентов, низкую мощность и высокую надежность.
Фильтры с разрезанными электродами также используются
для выделения сигналов с низкой скоростью передачи инфор-
мации, используемых в системах широкополосной связи, где
сверхширокая полоса пропускания служит для передачи слабых
ППЗ в устройствах обработки сигналов	245
сигналов по каналам с шумами. В подобной системе связи ин-
формация кодируется, например, двоичными сигналами с ли-
нейно-изменяющейся частотной модуляцией, и передаваемый
сигнал имеет вид
V (/) = A cos (g)0 ± Н/2 + ф)	(6.21)
для
-Td/2<t <Td/2,
где нарастание частоты (плюс) соответствует двоичной единице,
а понижение (минус) соответствует двоичному нулю. Этот сиг-
нал сначала смешивается с сигналом модулирующей частоты,
так что его частота линейно меняется от —W/2 до +W/2. Затем
он фильтруется, проходя через два трансверсальных согласо-
ванных фильтра с импульсными характеристиками, задавае-
мыми формулами
(0 = cos ц/2,
Hs(t) = sin ц/2	(6.22)
для
-Td/2 <t <Td/2.
Число элементов фильтра должно равняться произведению вре-
мени задержки на ширину полосы пропускания для линейно-из-
меняющегося по частоте сигнала. Коррелированные отклики
200-каскадного трансверсального фильтра на пожарных цепоч-
ках приведены на фиг. 6.14, а и б соответственно. Отметим зна-
чительное улучшение отношения сигнал/шум.
4.2.	ФИЛЬТРЫ С НАСТРАИВАЕМЫМИ ВЕСОВЫМИ
КОЭФФИЦИЕНТАМИ. ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ С ОТВОДАМИ
Другой путь выполнения трансверсального фильтра, особен-
но подходящий для фильтров с настраиваемыми весовыми коэф-
фициентами, заключается в непосредственном считывании по-
тенциалов в точках вдоль канала переноса заряда. В пожарных
цепочках это делается простым подсоединением усилителей к
уже имеющимся диффузионным областям. В ПЗС необходимо
ввести добавочные считывающие диффузионные области или
использовать плавающие затворы. К каждой диффузионной об-
ласти (или затвору) должен быть присоединен усилитель. Кон-
струкция и параметры пожарной цепочки с отводами рассмот-
рены в работе [288]. Каждый отвод в зависимости от требуе-
мого знака весового коэффициента подсоединен к одной из двух
линий, подключенных ко входам дифференциального усили-
теля. Такой филыр, согласованный с 13-разрядным кодом Бар-
кера, показал увеличение отношения сигнал/шум, близкое к
246
Глава 6
теоретическому оптимуму (11 дБ). Недостаток пожарной це-
почки с отводами и ПЗС с диффузионными отводами заклю-
чается в наличии дополнительной емкости МОП-усилителя, ко-
торая увеличивает неэффективность переноса, обусловленную
отводом. Диффузионные отводы не обеспечивают полного пере-
носа заряда, а их дополнительная емкость еще больше увеличи-
Фиг. 6.15. Линия задержки с отводами, выполненная на трехфазном ПЗС.
Сигнал считывается с электродов одной фазы, каждый электрод которой дей-
ствует как плавающий затвор. С этой целью фаза отсоединяется от источника
питания раньше, чем под ее электроды попадают зарядовые пакеты.
вает остающийся заряд. Предпочтительной является конструк-
ция, где схема считывания изолирована от сигнального заряда
в канале переноса. Таким требованиям отвечает плавающий за-
твор. Для установки на нем исходного потенциала используется
ключ (фиг. 6.15). В этом случае происходит полный перенос
заряда в канале и под плавающими затворами, однако величина
удерживаемого под ними заряда уменьшается. Требуемая ча-
стотная характеристика получается при взвешивании и сумми-
ровании выходов от всех усилителей, подсоединенных к
отводам.
Большинство ограничений характеристик ППЗ, рассмотрен-
ных в гл. 4, не играет существенной роли при работе ПЗС в ка-
честве фильтров. Рассмотрим, например, влияние неэффективно-
ППЗ в устройствах обработки сигналов
247
сти переноса заряда [280, 284]. Идеальная передаточная функ-
ция Hi(z) определяется выражением
N
H!(z)== £ hmz~m.	(6.23)
m =1
Если неэффективность переноса — конечная величина и на от-
резке между отводами равна ё, то реальная передаточная функ-
ция получается при подстановке в уравнение (4.9) выражения
(6.23):
н (z) = £ hm (1)m г-«.	(6.24)
m =1
Таким образом, каждый весовой коэффициент умножается на
(1 — ё)m (1— ё2-1)-т. Это приводит к уменьшению амплитуды
весовых коэффициентов и сдвигу вдоль линии задержки прибли-
зительно на /77ё(тё<< 1). Если ё известно заранее, в начале
проектирования фильтра по вышеприведенным формулам мож-
но вычислить скорректированные весовые коэффициенты, кото-
рые дадут требуемую передаточную функцию. На практике, од-
нако, и особенно для ПЗС с поверхностным каналом, если ё до-
статочно велико, нереально оценить неэффективность переноса
с требуемой точностью или даже считать ее постоянной в тече-
ние жизни прибора.
В обычных применениях трансверсальных фильтров весовые
коэффициенты могут быть вычислены точно, как уже об этом
говорилось выше. В линиях задержки с отводами такие весовые
коэффициенты могут задаваться с помощью тонкопленочных ре-
зисторов на керамической подложке, к которой крепится при-
бор. При необходимости для повышения точности резисторов
применяется последующая подгонка. При адаптивном управле-
нии требуются перестраиваемые весовые коэффициенты. В этом
случае МНОП-транзисторы могут обеспечить настраиваемые ве-
совые коэффициенты отводов [289]. Конфигурация линии за-
держки с настраиваемыми коэффициентами отводов показана
на фиг. 6.16. Проводимость под МНОП-конденсатором, который
представляет весовой коэффициент, изменяется под действием
управляющего импульса, прикладываемого к затвору. Для точ-
ной настройки на требуемую аналоговую величину применяется
итерационный процесс. Аналогично, для получения желаемой ча-
стотной характеристики фильтра целесообразно использовать
адаптивные алгоритмы, которые компенсируют действие нели-
нейностей и неоднородностей весовых отводов.
В большинстве применений фильтров их отводы должны об-
ладать линейной характеристикой, па крайней мере по отноше-
нию к амплитуде сигнала. Поэтому при проектировании фильт-
248
Глава 6
ров требуется учитывать или минимизировать некоторые харак-
терные нелинейные эффекты. Например, напряжение, считывае-
мое с диффузионной области канала переноса или с плаваю-
щего электрода, изменяется нелинейно при изменении величины
заряда из-за его влияния на емкость обедненного слоя. Этот
недостаток может быть компенсирован путем введения нели-
нейности на входе ППЗ [92, 99].
Аналоговый регистр сдВига на ПЗС
Датчик
поверхностного
потенциала
Генератор
постоянного
тока
Ч?9
Программируемые
проводимости,
МНОП
Фиг. 6.16. Линия задержки с отводами, содержащая на том же кристалле
электрически программируемые весовые коэффициенты, реализуемые с по-
мощью МНОП-транзисторов. Весовые коэффициенты изменяются при подаче
на затворы МНОП-транзисторов управляющих напряжений [289].
Аналоговые весовые коэффициенты, имеющие высокую точ-
ность и хорошую линейность, можно получить при использова-
нии нескольких каналов с хорошо взвешенными двоичными от-
водами [125]. Этот способ (фиг. 6.17) особенно пригоден для
адаптивных систем, где весовые коэффициенты после их на-
стройки хранятся в виде М-разрядных двоичных чисел неопре-
деленно долгое время, т-й двоичный раздяд каждого весового
коэффициента используется для программирования соответ-
ствующего веса m-го фильтра. Входной сигнал параллельно
подводится к каждому из М сдвиговых регистров, и выходы
фильтров суммируются с соответствующими двоичными весами
(фиг. 6.17). Вместо использования модуля с несколькими ли-
ниями задержки все двоичные умножители могут быть встроены
в одну и ту же линию задержки при условии, что отводы под-
соединены к усилителям, которые обладают достаточно высо-
кой нагрузочной способностью.
Влияние неэффективности переноса на перестраиваемые
трансверсальные фильтры в основном аналогично влиянию на
ППЗ в устройствах обработки сигналов	249
фильтры с постоянными коэффициентами. Однако отводы с на-
страиваемыми весовыми коэффициентами имеют то преимуще-
ство, что влияние неэффективности переноса более просто под-
дается компенсации. Более того, использование трансверсаль-
ного фильтра, подсоединенного к выходному концу ПЗС, было
Фиг. 6.17. Перестраиваемый трансверсальный фильтр, содержащий несколько
простых фильтров с двоичными весовыми коэффициентами, которые хранятся
в запоминающем устройстве. Выходные сигналы фильтров умножаются на
весовые коэффициенты и складываются [284].
предложено [290] как метод компенсации неэффективности пе-
редачи в ПЗС. Теоретически было показано, что, как это ни
удивительно, даже при п& = 0,5 такой метод должен обеспе-
чить почти полную компенсацию потерь. Однако практическое
его использование встречает на своем пути некоторые препятст-
вия: обычно ns зависит от плотности поверхностных состояний,
величины сигнального заряда и управляющих напряжений. Для
устранения влияния этих зависимостей на работу фильтра, ве-
роятно, наиболее пригоден адаптивный способ настройки. В тех
применениях, где необходимо большое отношение сигнал/шум,
более предпочтительно объединить сигналы на одном малошу-
мящем усилителе, чем использовать множество усилителей, каж-
дый из которых подсоединен к отдельному отводу и поэтому
должен располагаться на ограниченном пространстве.
250
Глава 6
5.	КОРРЕЛЯЦИЯ
Если весовые коэффициенты сами изменяются во времени,
то ППЗ можно использовать для выполнения операции корре-
ляции. В общем случае для корреляции требуется умножение
двух аналоговых сигналов во всех точках схемы (фиг. 6.18).
Однако современные аналоговые умножители трудно разместить
в интегральной схеме на ограниченном пространстве, заключен-
ном между двумя линиями задержки с отводами. В этом случае
Сумма
’произведений
Фиг. 6.18. Блок-схема коррелятора, имеющего два ПЗС и дополнительные
схемы для умножения сигналов от каждой пары отводов и их суммирования.
имеет смысл рассмотреть детально проработанный вариант пол-
ностью запрограммированной линии задержки с отводами, хотя
и здесь приходится сталкиваться с большими трудностями. Для
корреляции одного сигнала с другим линии задержки, показан-
ные на фиг. 6.18, должны работать на разных тактовых часто-
тах. Так как полностью аналоговую корреляцию из-за сложно-
сти аналогового умножения выполнить трудно, один из двух
сигналов может быть цифровым и тогда естественно использо-
вать способ умножения, подобный приведенному на фиг. 6.17.
Другой более практичный метод построения коррелятора
предложен в работах [291—293]. Этот коррелятор, хотя и исполь-
зует перенос зарядов, не является ППЗ в обычном смысле.
В нем каждый прибор содержит строку дискретных ячеек, в
которых передача заряда происходит циклически только между
тремя накопительными электродами. Заряд аналогового сигнала
поступает в каждую ячейку из диффузионной входной шины
- (фиг. 6.19). Загрузка конкретной ячейки из этой шины управ-
ППЗ в устройствах обработки сигналов
251
ляется группой электродов сканирующего регистра сдвига, ко-
торые включаются последовательно при прохождении по скани-
рующему регистру сдвига одиночного двоичного сигнала. Как
только заряд оказывается в ячейке, он помещается под одной
из двух выходных шин А или В в зависимости от того, какой
Регистр сдвига двоичных сигналов
Сканирующий регистр сдвига
Фиг. 6.19. Коррелятор, использующий отдельные трехэлектродные ячейки с
переносом заряда, каждая из которых хранит аналоговый сигнал. Аналоговые
сигналы считываются в ячейку из диффузионных шин под действием управ-
ления от сканирующего регистра сдвига. Корреляция аналогового сигнала
с двоичным сигналом верхнего регистра сдвига выполняется в тот момент,
когда заряд переходит в зависимости от двоичного сигнала под выходную
шину А или В. Выходной сигнал снимается дифференциальным способом
с электродов А и В [293].
из двух передающих электродов в каждой ячейке открыт. Пере-
дающие электроды управляются вторым регистром сдвига двоич-
ных сигналов. Он ’содержит двоичную последовательность, с
которой первый сигнал коррелирует. Выходные шины являются
электродами, которые суммируют емкостные наводки от заря-
дов различных ячеек, но не удаляют сам заряд. Так как здесь
нет обычной передачи заряда от ячейки к ячейке, то отсутствует
и проблема неэффективности передачи, и поэтому можно выпол-
нять повторные корреляции, охватывающие даже несколько кри-
сталлов. В устройстве потребуется объединить несколько таких
схем с двоичным взвешенным суммированием на выходе
(фиг. 6.17).
252
Глава 6
6.	ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
В приемниках изображений
Обработка сигналов в матрицах приемников изображений
уже обсуждалась в предыдущей главе. Здесь мы рассмотрим
случай прямой обработки сигналов в линейных приемниках изо-
бражений, который описан в работе [294]. Проиллюстрируем этот
метод для сжатия полосы частот. В разд. 4.1 показано, как ди-
скретное фурье-преобразование или спектр произвольного
сигнала можно получить с помощью алгоритма CZT. Предвари-
тельное умножение, необходимое для дискретного фурье-преоб-
разования изображения, достигается размещением перед фото-
приемником маски с пространственно-изменяющейся оптической
плотностью й(х) или выбором размеров площадей фоточувстви-
тельных областей, производимым при проектировании прибора.
Требуемая свертка пространственного сигнала f(x) в этом слу-
чае в дискретной форме записывается в виде
fnhm-n-	(6.25)
П *=0
Суммирование выполняется обычным интегрированием зарядов,
генерируемых светом, падающим на матрицу (фиг. 5.1,г), за
исключением того, что в течение считывания передача из обла-
сти интегрирования в передающий регистр происходит каждый
раз после сдвига зарядов в регистре на один элемент, а не после
сдвига на всю строку. Это обеспечивает контролируемое смеще-
ние зарядов. Фактически отпадает необходимость в других ин-
теграторах, и свет может интегрироваться прямо в передающем
канале (фиг. 5.1, б). Однако требуются два регистра считыва-
ния, подсоединенные к дифференциальному выходному каскаду,
так как в свертке могут возникать и положительные, и отрица-
тельные члены. В работе [294] описан подобный линейный при-
емник изображения на 256 элементов разложения и приведены
результаты его исследования. Как только дискретное преобразо-
вание Фурье выполнено каждой строкой, далее требуется лишь
небольшая дополнительная обработка сигнала для осуществле-
ния сжатия полосы частот передаваемой информации.
Представленные здесь подходы к обработке сигналов в при-
емниках изображений могут быть обобщены. Устройства обра-
ботки оптических сигналов, объединенные с твердотельными
преобразователями сигналов, найдут применение для выполне-
ния сложных функций в различных приложениях.
ППЗ в устройствах обработки сигналов
253
7.	ГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ
Существует несколько способов использования ПЗС для ге-
нерации аналоговых колебаний. Рекурсивные фильтры (разд. 3)
выступают как программируемые генераторы [267], если подо-
брать соответствующее усиление. Трансверсальные фильтры так-
же допускают применение в качестве генераторов колебаний,
если выбран соответствующий входной сигнал (такой, как пов-
торяющаяся «единица»), а импульсная характеристика фильтра
соответствует требуемой форме колебаний. Мультиплексоры
(фиг. 6.3, а), имеющие входы с различными весовыми коэффи-
циентами, также способны функционировать как аналоговые ге-
нераторы колебаний.
В работе [295] описан генератор колебаний различной фор-
мы. Схема содержит ряды МОП-конденсаторов, размеры кон-
денсаторов соответствуют значениям сигналов в последователь-
ные моменты времени. При обращении к произвольному ряду
конденсаторов на них подается напряжение и под электродами
накапливаются заряды, пропорциональные их размерам. Затем
накопленные заряды параллельно передаются в регистр сдвига,
выполненный на пожарной цепочке, и с его помощью последова-
тельно считываются. Такой генератор фактически выполняет
функцию аналогового постоянного ЗУ и используется для фор-
мирования изменяющихся во времени аналоговых сигналов
сложной формы.
Глава 7
Цифровые запоминающие устройства
На первый взгляд аналоговые линии задержки с рециркуля-
цией на ППЗ по существу являются аналоговыми запоминающи-
ми устройствами. Однако из-за наличия в них темнового тока
хранимая в запоминающем устройстве информация разрушается
и требуется ее периодическое обновление. Поскольку перенос за-
ряда, генерация темнового тока и регенерация сигнала приводят
к шуму и искажениям накопленной информации, длительное хра-
нение данных в аналоговой форме в ЗУ с рециркуляцией на
ПЗС практически нереально. Но при использовании двоичного
кодирования и периодического восстановления на специальных
пороговых схемах регенерации информация может рециркули-
ровать с очень малой вероятностью ошибки. В этой главе рас-
смотрены также преимущества многоуровневой памяти и методы
получения неразрушаемой памяти за счет комбинации регистров
с МНОП-элементами.
1.	ИЕРАРХИЯ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Для того чтобы оценить полезность ЗУ на ППЗ, необходимо
определить их место в иерархии запоминающих устройств с уче-
том быстродействия и стоимости. Соотношение между удельной
стоимостью и временем выборки для современных ЗУ приведено
на фиг. 7.1, а. Диапазоны типичных емкостей памяти для раз-
личных типов ЗУ, используемых в ЭВМ средних размеров, при-
ведены на фиг. 7.1,6. ЗУ с произвольной выборкой [296] имеют
наивысшую удельную стоимость, но они обеспечивают время до-
ступа менее 1 мкс, в то время как ЗУ на магнитных барабанах
и дисках намного дешевле, но имеют время выборки обычно
более 10 мс. Между двумя этими типами памяти существует
пробел, в котором ЗУ на ППЗ должны найти применение. В ППЗ
сокращение времени выборки может быть получено только за
счет усложнения и, следовательно, увеличения размеров и стои-
мости кристаллов. При изготовлении ЗУ на ПЗС по существую-
щей в настоящее время технологии удельная стоимость (по оцен-
кам) составляет 15—50 миллицент/бит в зависимости от тре-
буемого времени выборки.
Цифровые запоминающие устройства
255
Фиг. 7.1. Сравнение различных типов ЗУ, используемых в современных вы-
числительных системах: зависимость удельной стоимости (а) и общей емкости
ЗУ от времени выборки (б).
ЗУ на ПЗС не должны рассматриваться в качестве прямой
замены ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), хотя вычисли-
тельные устройства могут быть преобразованы так, чтобы ис-
пользовать преимущества блоков памяти, которые обладают до-
статочно малым временем выборки (например, порядка 10—
256
Глава 7
100 мкс) и которые были бы значительно дешевле ЗУ с произ-
вольной выборкой. Вместе с тем ожидается конкуренция ЗУ на
ПЗС с ЗУ на магнитном барабане и магнитных дисках.
Использование принципа переноса заряда для создания
ЗУПВ исследовано в работе [130]. Авторы предложили матрицу
поверхностно-зарядовых транзисторов, в которой каждая ячейка
состояла из накапливающего электрода и передающего затвора,
связанного со словарной шиной. Заряд записывался и считы-
вался из ячейки по диффузионной разрядной шине, которая
могла быть связана либо с входным дешифратором, либо с вы-
ходным усилителем. Такое устройство, хотя и является по су-
ществу матрицей элементов с однократной передачей зарядов,
все же ближе к однотранзисторным ЗУПВ, и мы не будем его
здесь рассматривать.
Структуре ППЗ в большей степени соответствует ЗУ с по-
следовательной, многоконтурной (многорегистровой, многопет-
левой) или с последовательно-параллельно-последовательной
(ППП) организацией, в которых информация рециркулирует
и периодически восстанавливается. Во всех этих организациях
ЗУ размер индивидуального блока или расстояние между схе-
мами регенерации ограничен и определяется неэффективностью
переноса заряда и, что более важно, темновым током. У при-
бора, предназначенного для работы в широком температурном
диапазоне, темновой ток ограничивает максимально допустимое
время между регенерациями 10 мс. Среди различных организа-
ций ЗУ, которые будут рассмотрены ниже, большие последова-
тельно-параллельно-последовательные блоки обещают наиболь-
шую плотность упаковки и, следовательно, наименьшую стои-
мость. Для работы этих блоков или для декодирования их ад-
ресов требуются относительно небольшие дополнительные схе-
мы. Поэтому удельная стоимость для очень больших ЗУ на ПЗС
будет достигать минимума при организации, обеспечивающей
время выборки около 1 мс, и сохранится достаточно постоянной,
даже если бы потребовались много большие времена выборки.
2.	ЕМКОСТЬ ПАМЯТИ И ВЕРОЯТНОСТЬ ОШИБОК
В ЗУ НА ППЗ
Емкость двоичной памяти ЗУ на ППЗ обычно дается числом
элементов, выполненных на кристалле, хотя емкость может быть
почти удвоена при использовании способа действия, описанного
ниже (разд. 3.2). Так как ППЗ является аналоговым прибором,
емкость памяти может быть, кроме того, увеличена за счет
хранения более чем одного бита информации в каждой потен-
циальной яме. Существует максимальная теоретическая емкость
памяти, которую мы можем вычислить, но более практичный
Цифровые запоминающие устройства
257
способ реализации возможностей ППЗ состоит в многоуровне-
вом кодировании. Поэтому мы вычислим вероятность ошибок,
включая неэффективность переноса в многоуровневых ЗУ. Ве-
роятность ошибок для двоичного ЗУ может быть определена как
частный случай наличия только двух уровней.
Емкость цифровой памяти и вероятность ошибок в ППЗ рас-
смотрены в работах [123, 297]. Мы рассмотрим лишь отношение
сигнал/шум всего устройства (с учетом детектирования сиг-
нала) и результирующую неэффективность переноса (пе) для
всего устройства.
Максимальная теоретическая емкость памяти [123] может
быть получена из теоремы Шеннона [247], которая определяет
пропускную способность Кт канала (бит/с) следующим обра-
зом:
Кт = B\og2[l + (S/Nrms)2],
(7.1)
где В — ширина полосы; S/Nrms — отношение максимальной амп-
литуды сигнала к среднеквадратичному шуму. Максимальная
емкость памяти в битах на элемент для идеального ППЗ с
/18 = 0 и заданного S/Nrms 1 определяется выражением
^ = 7-AT = log2(Spvrms),
Тс
(7.2)
где fc — тактовая частота. Для конечного значения п& ширина
полосы В меньше границы Найквиста /с/2, поэтому для опре-
деления величины В необходимо использовать выражение (4.16).
Эта теоретическая емкость памяти может быть достигнута при
кодировании информации в некотором оптимальном формате.
В практических случаях, намереваясь хранить более чем один
бит информации на элемент памяти, мы будем рассматривать
многоуровневое хранение информации в простейшем базисе и
определим максимальное число уровней, которое может быть
использовано для заданной допустимой вероятности ошибки.
Максимальное число уровней можно вычислить, если предполо-
жить, что ППЗ характеризуется некоторым отношением S/Nrms,
как установлено выше, и что комбинация величины шума сиг-
нала и изменения порогового окна детектора имеет гауссовское
распределение с формой, показанной на фиг. 7.2, а. Вероятность
Ре того, что сигнал, имеющий гауссовское распределение, превы-
сит величину mNrmSi где m — некоторая постоянная, дается вы-
ражением
Ре =-----~/---- \ ехР I--------9
(7.3)
Эта вероятность соответствует вероятности ошибки детектора с
окном обнаружения, сдвинутым на величину rnNrmS) по обе
1/29 Зак. 816
258
Глава 7
---------------------Истинный нуль
Фиг. 7.2. Гауссовское распределение амплитуды выходного сигнала, исполь-
зуемое для вычисления вероятности появления ошибки (а), и пороговые окна
при многоуровневом кодировании (б).
стороны от идеальной .ожидаемой величины сигнала. Использо-
вание приближенного выражения [297] для интеграла
оо
exp (— х2/2) dx ж ехр (— а2/2)	(7.4)
о
Цифровые запоминающие устройства	259
приводит к выражению для вероятности ошибки Ре в виде
Ре = ^ехр(-т2/2).	(7.5)
Из этого выражения следует, что вероятность ошибки 10~23 мо-
жет быть достигнута при отношении сигнал/шум, равном всего
20 дБ (т = 10).
Таким образом, при заданной вероятности ошибки величина
m может быть найдена из уравнения (7.5) и, следовательно,
число уровней, или максимально разрешенное число Кы поро-
говых окон, в идеальном случае дается формулой
^=^-дагпм).	(7.6)
На практике должны быть предусмотрены добавочные за-
пасы, чтобы учесть влияние конечного значения пг. Это влияние
показано на фиг. 7.2, б для случая четырехуровневого кодиро-
вания. Например, на верхнем уровне, содержащем заряд Q, воз-
можны максимальные частичные потери, равные З/ге/4, если
заряд проходит через весь блок ЗУ вслед за минимальным паке-
том, который в этом приборе равен Q/4. Наоборот, этот наи-
меньший пакет может получить максимальный добавочный за-
ряд 3fteQ/4, если ему предшествует зарядовый пакет верхнего
уровня. В оптимальном детекторе и при известной средней ве-
личине пороговые окна могут быть соответственно сдвинуты,
для того чтобы минимизировать влияние неэффективности пе-
реноса на точность детектирования. Однако если мы предполо-
жим в данный момент, что пороговые окна одинаковы, то в
наихудшем случае сигнальный пакет может как возрасти, так
и уменьшиться на величину n&Q. Таким образом, для того чтобы
практически получить Kl уровней на элемент, мы должны уве-
личить расстояние между соседними уровнями в пределах 2/zeQ,
так что
rs  ______1___________Nrms_____	/у у\
L UKLi+Zne, 2(/n + neS/7Vrms) *
Если же задано число уровней, например Kl = 2 для двоичной
системы, величина m и, следовательно, вероятность ошибки
(уравнение (7.5)) могут быть вычислены для известных S/Nrms
и пг. При проектировании устройства эти последние величины
можно установить выбором числа элементов между схемами ре-
генерации и соответствующим размером сигнального пакета.
В работе [123] предложено динамическое детектирование для
уменьшения влияния конечной величины неэффективности пере-
носа. При этом интерпретация информации в пакете
i/29*
260
Глава 7
производится с учетом величины последнего или нескольких
предшествующих зарядовых пакетов, компенсируя влияние не-
эффективности переноса. Было продемонстрировано значитель-
ное улучшение максимальной емкости памяти для больших зна-
чений результирующей неэффективности переноса п&.
Многоуровневые ЗУ наиболее целесообразны в тех приложе-
ниях, где низкая стоимость более важна, чем «нулевая» вероят-
ность ошибки, и где число уровней Кь могло бы быть, следова-
тельно, выбрано достаточно большим. Кроме того, они особенно
привлекательны, если сложная многоуровневая схема детек-
тирования обслуживает большое число элементов памяти. Это
имеет место в ЗУ с ППП-организацией, где для матрицы из
М X N элементов требуется лишь одна детектирующая схема.
Максимальная емкость памяти для такой М X N матрицы опре-
деляется выражением
log, (W=log, [ 2„+.	(7.8)
где р — число фаз на зарядовый пакет. Вычислив максимум
этого выражения, можно найти максимальное количество накоп-
ленной информации на единицу площади, учитывая, что сигнал
S приблизительно пропорционален площади на бит. Темновой
ток в явном виде не входит в приведенное выражение, но он
подразумевается в отношении сигнал/шум. Это справедливо, так
как среднее значение темнового тока существенно сдвигает по-
роговые уровни и таким образом уменьшает допустимый диапа-
зон сигналов, а различия во вкладах каналов и шум темнового
тока могут быть включены в величину Nrrris. В настоящее время
темновой ток и отсутствие подходящей конструкции для встроен-
ной в кристалл многоуровневой детектирующей схемы представ-
ляют главные препятствия на пути реализации многоуровневой
памяти в промышленных приборах. После того как эти препят-
ствия будут преодолены, реальное число уровней может достиг-
нуть 16, что соответствует четырем двоичным разрядам. Для по-
лучения ППП-блока памяти на 8 кбит потребуется следующий
совместимый набор параметров: S/Nrms = 56 дБ; т = 10 для
вероятности ошибки 10-23, р = 2, М = 32, W — 64 и в = 1 • 10~4.
При использовании организации с одним электродом на бит,
описанной ниже в этой главе, для неэффективности переноса бу-
дет допустима величина в = 2• 10-4 или может быть удвоена
емкость блока.
ПЗС обладают высоким отношением сигнал/шум. В табл. 7.1
приведены значения шума и отношения сигнал/шум для ППП-
блока ЗУ емкостью 4096 бит, построенного на ячейках пло-
щадью 500 мкм2 и работающего со средним временем выборки
ТАС = 1 мс. Предсказанное отношение сигнал/шум составляет
Цифровые запоминающие устройства
261
Таблица 7J
Шум и отношение сигнал/шум для ППП-блока ЗУ емкостью
4096 бит на ПЗС с поверхностным каналом; площадь ячейки
равна 500 мкм2
Источник шума	Среднеквадратичный шум, электрон
Электрическая инжекция (Сst = 0,02 пФ)	47
Захват на поверхностные состояния (Nss = 2- 109 см-2-эВ-’)	150
Темновой ток	25 при 25 °C
Tst = 1 С> ТАС = 1 мс	200 при 85 °C
Детектирование (С0 = 0,1 пФ)	120
Общий шум	200 при 25 °C
	280 при 85 °C
Полный зарядовый пакет (0,1 пК)	0,625-106
Отношение сигнал/шум	67 дБ
67 дБ. Для данных ячеек необходимо создать хорошую схему
двоичного детектирования с отношением S/Nrms, по крайней мере
40 дБ.
3.	ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЗУ
3.1.	ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНО-
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЗУ
Последовательно-параллельно-последовательный (ППП) блок
ЗУ с одним выходом (фиг. 7.3, а) имеет большое время выборки,
однако требует наименьшее число периферийных схем на кри-
сталле. Следовательно, он обладает более высокой плотностью
упаковки и меньшей удельной стоимостью, чем ЗУ с серпантин-
ной и многорегистровой организацией, которые описаны ниже.
Информация вводится и выводится из устройства с тактовой
частотой fc через два последовательных регистра, но каждая
строка информации параллельно переносится матрицей с более
низкой частотой. Так, например, информационная емкость мат-
рицы, имеющей М столбцов и N строк, составляет MN элемен-
тов, тогда как суммарное количество переносов любого данного
9 Зак. 816
262
Фиг. 7.3. Последовательно-параллельно-последовательная организация блока
ЗУ.
а—обычная организация; б — организация с двумя вертикальными каналами на один гори-
зонтальный элемент
зарядового пакета составляет только p(7W + Af), где р — число
фаз, используемых для хранения зарядового пакета. Более того,
все зарядовые пакеты в параллельной матрице переносятся со
скоростью fc/M, и в результате потребляемая мощность относи-
тельно мала. Например, в двухфазном блоке размером 64 X 64,
работающем на частоте ввода информации 1 МГц, последова-
тельные регистры имеют тактовую частоту также 1 МГц, в то
Цифровые запоминающие устройства	263
время как параллельные регистры матрицы работают на частоте
16 кГц. Пусть площадь электрода равна 200 мкм2, а толщина
слоя окисла равна 100 нм, тогда мощность, потребляемая на
перенос заряда внутри блока емкостью 4К и вычисленная из
выражения (4.113), приблизительно равна 0,3 мВт. Кроме того,
согласно уравнению (4.114), мощность ~0,3 мВт рассеивается
в двухтактном импульсном формирователе пушпульного типа.
Однако на практике действительная перезаряжаемая емкость
выше из-за наличия емкости перекрытия электродов и емкости
подводящих шин. В результате полная мощность, необходимая
для работы блока емкостью 4К на частоте 1 МГц, будет равна
приблизительно 5 мВт. Эту мощность можно уменьшить на одну
треть, оптимизируя геометрию матрицы так, чтобы число ячеек
в последовательном регистре было вдвое меньше параллельных
столбцов в матрице [298]. Тогда для платы ЗУ емкостью 1 Мбит,
работающей на частоте 1 МГц, потребуется мощность ~1 Вт.
Дополнительная мощность, потребляемая схемами детектирова-
ния и дешифратором, выполненными на одном кристалле с ППЗ,
может быть сделана сравнительно небольшой. Низкая потреб-
ляемая мощность и небольшой общий размер — основные до-
стоинства ЗУ с ППП-организацией. Среднее время выборки со-
ставляет половину периода рециркуляции и при тактовой ча-
стоте 1 МГц для рассматриваемого блока емкостью 4К будет
равно 2,5 мс. Оно может быть уменьшено по крайней мере на
порядок за счет увеличения рабочей частоты и уменьшения раз-
меров блока. Практически на одном кристалле могут распола-
гаться несколько ППП-блоков с необходимыми схемами дешиф-
рации. Главное преимущество ППП-организации ЗУ перед
другими заключается фактически в том, что для матрицы раз-
мером М X N требуется только одна входная и одна детекти-
рующая схемы. Детектирующая схема поэтому может быть
относительно сложной (типа симметричного триггера, используе-
мого в ЗУПВ [296]) и, однако, занимать незначительную пло-
щадь всего кристалла.
Для тех малых значений неэффективности переноса заряда,
которые могут быть достигнуты, можно было бы рассматривать
чрезвычайно большой отдельный ППП-блок ЗУ, например ем-
костью 64К, если бы не надо было принимать во внимание тем-
новой ток и время выборки. Зарядовые пакеты должны доста-
точно быстро переноситься через ЗУ, так чтобы темновой ток
не успевал наполнить потенциальные ямы, или, другими сло-
вами, не успевал сдвинуть уровень «0» -выше порога детектиро-
вания уровня «1». Так как пакеты непрерывно двигаются через
ЗУ (в отличие от случая формирователя сигналов изображе-
ния), поверхностная генерация темнового тока в ПЗС с поверх-
ностным каналом подавлена (гл. 4, разд. 5.2) и флуктуации
9*
Фиг. 7.4. ЗУ с высокой плотностью упаковки элементов, использующее не
сколько ППП-блоков, соединенных последовательно [298].
«—фотография устройстеа емкостью 16 К; б —блок-схема организации ЗУ.
Цифровые запоминающие устройства
265
темнового тока усредняются. Однако не все зарядовые пакеты
следуют по одному и тому же пути, и пространственные флук-
туации (геометрический шум) темнового тока или локализован-
ные дефекты могут, следовательно, давать неодинаковые вклады
в темновой ток для различных параллельных каналов. Этот эф-
фективный уровень шума необходимо учитывать в схеме детек-
тирования, что приводит к изменению эффективного порога в
зависимости от температуры. Разбиение ЗУ на несколько ППП-
блоков на одном кристалле может улучшить надежность детек-
тирования при работе на повышенных температурах, а также
уменьшить время выборки.
В работе [192] описан ПЗС, сконструированный и как фор-
мирователь сигналов изображения, и как ЗУ с ППП-организа-
цией в режиме хранения кадра, содержащего 13 000 аналоговых
сигналов. В работе [299] было описано ЗУ, содержащее четыре
блока по 1024 бит с ППП-организацией. Эта конструкция была
переработана и было изготовлено ЗУ емкостью 16 К, состоящее
из 8 блоков по 2048 бит каждый [298]. Фотография прибора и
схема его организации показаны на фиг. 7.4. Четыре блока по
2048 бит включены последовательно как один регистр сдвига
или единый блок ЗУ. Дешифратор отсутствует. Площадь эле-
ментарной ячейки равна 930 мкм2, а размер кристалла
5,7 X 6,1 мм.
Вариант ППП-организации ЗУ приведен на фиг. 7.3,6.
В этом случае число параллельных передающих каналов увели-
чено, так что с каждым элементом последовательного регистра
связано теперь два канала — два столбца матрицы [299]. Ис-
пользована двухфазная электродная система, и импульсы по-
следовательного регистра заканчиваются в определенной фазе,
так что заряд считывается попеременно в одну из двух групп
параллельных каналов. Вследствие геометрических ограниче-
ний присущих некоторым двухфазным последовательным ре-
гистрам (гл. 3, разд. 1.6), подобный метод «прореживания» мо-
жет привести к увеличению плотности упаковки по сравнению со
стандартными ППП-структурами.
Другой способ, обеспечивающий дополнительное увеличение
плотности упаковки ППП-структур почти вдвое, состоит в ис-
пользовании схемы с одним электродом на один бит, рассмат-
риваемой ниже.
3.2.	ОРГАНИЗАЦИЯ ЗУ
С ОДНИМ ЭЛЕКТРОДОМ НА ВИТ
В двухфазных ПЗС при включении обеих фаз в каждой
ячейке есть две отдельные потенциальные ямы. Таким образом,
каждая ячейка могла бы фактически хранить два зарядовых
266
Глава 7
Вход
Синхронизация
+ 4
SR
^3 А
Фиг. 7.5. ППП-блок ЗУ с организацией «электрод на бит» (а) и блок ЗУ
с многофазной организацией «электрод на бит» (6).
Выход
2
1 О
пакета (гл. 3, разд. 1.6). В этом случае зарядовые пакеты, за
исключением первого и последнего в ряду, не могут переме-
щаться, поэтому заставляют двигаться вдоль прибора в обрат-
ном направлении пустую яму, так что каждый пакет по очереди
продвигается из-под электрода, как только до него доходит эта
яма [6, 76]. Движение зарядовых пакетов будет медленным, но
Цифровые запоминающие устройства
267
его можно ускорить используя несколько последовательных пу-
стых ям.
Эту идею можно использовать при проектировании ЗУ для
того, чтобы значительно увеличить число накапливаемых заря-
довых пакетов. Например, можно построить ЗУ последователь-
но-параллельно-последовательного типа, в котором каждый
электрод параллельной матрицы связан с одним из каскадов
двоичного регистра сдвига, расположенного на том же кристал-
ле (фиг. 7.5, а). Двоичная последовательность проходит по этому
регистру синхронно с информацией, вводимой и выводимой по-
следовательными регистрами. Она создает ряд пустых ям, сле-
дующих вверх через всю параллельную секцию в течение вре-
мени, которое требуется для передачи строки в последователь-
ный регистр. Эта конструкция обладает тем недостатком, что
каждый каскад регистра сдвига может сам занимать больший
вертикальный размер, чем размер элемента матрицы, и, следо-
вательно, потребуется увеличить размер элемента. Более того,
поочередная передача каждой отдельной строки должна проис-
ходить в течение короткого промежутка времени, что налагает
более строгие требования на проводимость параллельных элек-
тродов (шин питания) и нагрузочную способность формирова-
теля импульсов питания. В упрощенном варианте работы «элек-
трод на бит» [76] электроды параллельной матрицы объединены
в группы и питаются от более короткого регистра сдвига
(фиг. 7.5,6). При этом можно использовать соответствующее
число параллельных каналов с входами, расположенными усту-
пами (четыре на фиг. 7.5,6). Затем они будут по очереди под-
ключаться к входной шине и передавать зарядовые пакеты к
выходной шине при движении пустой ямы по матрице. В по-
добном устройстве могут быть исключены последовательные
входной и выходной регистры, что дает определенные преиму-
щества в тех случаях, когда требуется очень высокая скорость
обработки данных. Разумеется, подобное многофазовое питание
может использоваться в ЗУ с ППП-организацией. Во всех вы-
шеописанных ЗУ с «электродом на бит» для уменьшения количе-
ства выводов необходимо вводить на кристалл ИС специальные
устройства, обеспечивающие фазовое питание, показанные как
регистры сдвига на фиг. 7.5, а и 5.
3.3.	СЕРПАНТИННАЯ И ПЕТЛЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИИ
Серпантинная и петлевая организации ЗУ (фиг. 7.6) перво-
начально привлекли наиболее широкое внимание. При этих
способах организации ограничения, вносимые неэффективностью
переноса и генерацией темнового тока, ослаблены за счет ре-
генерации двоичной информации после ограниченного числа
268
Глава 7
переноса заряда. В серпантинной организации, описанной во мно-
гих работах [31, 76, 107, 109, НО, 300, 301], восстановленная ин-
формация вводится в последующую секцию регистра сдвига и
переносится по ней в противоположном направлении (фиг. 7.6, а).
Часть схем регенерации служит одновременно в качестве отво-
дов, по которым информация может быть считана раньше, чем
она проследует через всю матрицу. Вместо того чтобы перено-
Входная
информация
Запись
Хранение
R
Выходная
информация
Формиро-
ватели
ППЗ---
—ППЗ
ППЗ---
•
ППЗ—
--ППЗ
СчитыВание
а
Фиг. 7.6. Серпантинная (а) и петлевая (б) организации ЗУ, обеспечивающие
быструю выборку, но требующие дешифратор для адресации отдельных ре-
гистров.
Цифровые запоминающие устройства
269
сить заряд по соседним каналам в противоположном направле-
нии, можно, соединив вход каждого регистра с выходом схемы
регенерации предыдущего регистра, переносить заряд в одном и
том же направлении во всех каналах. При использовании мно-
гослойных структур с тремя и более электродами на ячейку
этот способ обладает тем достоинством, что плотность упаковки
может быть выше, так как, когда все каналы передают заряды
в одном и том же направлении, отсутствует переплетение элек-
тродов, необходимое в случае регистров со встречным переносом.
При подключении выходов схем регенерации регистров к их соб-
ственным входам получается петлевая организация ЗУ [302,
303] (фиг. 7.6, б). Для петлевой организации ЗУ необходимо со-
ответствующее уплотнение входных и выходных цепей, но эта
организация дает возможность отыскивать любую строку ин-
формации быстрее, чем серпантинная организация (фиг. 7.6, а).
В обеих организациях (и в серпантинной, и в петлевой) быстрая
выборка достигается за счет большого размера кристалла и бо-
лее высокой потребляемой мощности. Из-за большого числа тре-
бующихся схем регенерации их конструкция должна быть вы-
брана относительно простой, иначе они займут непропорцио-
нально большую площадь на кристалле. Однако упрощенные
схемы, как правило, имеют соответственно худшие характе-
ристики, и размеры даже упрощенных схем регенерации могут
задавать межстрочный размер в накопителе. Кроме того, все
двоичные разряды в этих ЗУ сдвигаются с одной тактовой ча-
стотой, соответствующей скорости обработки информации, и во
время работы ЗУ на этой частоте потребляемая мощность очень
высока. Для экономии мощности используется пониженная хо-
лостая частота, когда кристалл только хранит информацию без
ее записи или считывания. Это представляет дополнительное
усложнение при изготовлении платы ЗУ.
Топология интегральной схемы с простой серпантинной ор-
ганизацией, в том числе схемы восстановления, была описана
в работах [107, 108]. В этом приборе использованы поверх-
ностно-зарядовые транзисторы с двухтактными перекрывающи-
мися управляющими электродами. Прибор состоял из двух 16-
разрядных регистров сдвига с противоположными направлениями
переноса заряда и схемой восстановления между ними. В ра-
боте [ПО] описана его работа на частоте 10 МГц.
Небольшое (5760 бит) запоминающее устройство на ПЗС
было изготовлено и опробовано в вычислительной машине [109].
Это ЗУ было построено из кристаллов, содержащих по два бло-
ка емкостью 480 бит. Каждый блок состоял из 10 последователь-
ных каналов с восстанавливающим усилителем или схемой ре-
генерации через 48 разрядов. Была применена р-канальная
структура с четырехфазными электродами из поликремнид и
270
Глава 7
алюминия, обеспечившая плотность упаковки 1300 мкм2/бит.
Полная потребляемая мощность на тактовой частоте 0,5 МГц
составила 3,5 Вт, или 600 мкВт/бит. Во время холостого хода,
-100 -80 -60 -40 -20 О 20 40 60 80 100 120 140
Температура Т, °C
Фиг. 7.7. Частотная характеристика 128-элементного четырехфазного ПЗС с
высокой плотностью упаковки элементов {а} как функция тактовой частоты
для случая «непустого нуля» собственно регистра (Л), в совокупности с уси-
лителем (В) и для «пустого нуля» (С); и (б) как функция температуры для
трех различных тактовых частот.
когда информация только сохраняется и не обменивается, ра-
бочая частота и, следовательно, потребляемая мощность могут
быть снижены почти на два порядка. Полученные результаты
все же на два порядка превосходят значение потребляемой мощ-
ности, которое может быть получено для структур с минималь-
ной геометрией.
Цифровые запоминающие устройства
271
Были выполнены измерения на отдельных четырехфазных ре-
гистрах сдвига (намного меньших размеров) с поликремние-
выми электродами шириной 6 мкм и зазорами 4 мкм, накры-
тыми алюминиевыми электродами [300]. Из полученных данных,
представленных на фиг. 7.7, следует, что пределы работоспособ-
ности регистров зависят от рабочей частоты и температуры. При
увеличении частоты снижается эффективность переноса и в ре-
зультате расплывания «единичного» пакета уменьшаются за-
пасы по детектированию сигналов. С возрастанием температуры
увеличение темнового тока заполняет «нуль» и переполняет «еди-
ницу» и, следовательно, тоже уменьшает рабочий диапазон. Эти
результаты приведены лишь для того, чтобы проиллюстриро-
вать функциональные зависимости, а их конкретные значения
не должны рассматриваться как абсолютные или даже типич-
ные пределы.
Были разработаны ЗУ емкостью 4096 и 8192 бита [302, 303].
В них использованы двухслойные поликремниевые электроды.
Перенос заряда осуществляется в одном направлении. Сигнал
регенерируется через каждые 32 элемента, а после 128 элемен-
тов регенерируемый сигнал возвращается ко входу по металли-
ческому проводнику, расположенному выше передающих элек-
тродов, и замыкает таким образом петлю. Фотография ЗУ ем-
костью 8192 бит с полной дешифрацией и блок-схема отдельной
петли приведены на фиг. 7.8. Каждая ячейка памяти занимает
площадь 2000 мкм2. Минимальная' и максимальная тактовые
частоты работы ЗУ равны 1 • 10”2 и 2 МГц соответственно.
Электродная структура C4D была использована в ячейке па-
мяти ЗУ емкостью 4160 бит [301]. Запоминающее устройство
разделено на две половины, каждая из которых имеет серпан-
тинную организацию со схемами регенерации, расположенными
через каждые 65 разрядов, и отводами через каждые 130 разря-
дов. ЗУ работает на частоте 1,6 МГц, обеспечивая время ожи-
дания 80 мкс. При наличии в ЗУ двух половин, функционирую-
щих в противофазе, фактическая скорость выдачи данных
может быть увеличена до 3,2 Мбит/с. Основной недостаток ис-
пользуемых электродов — плохая эффективность переноса [62],
что требует частой регенерации зарядового пакета, обеспечи-
вающей необходимый для. детектирования уровень сигнала. Тем
не менее на этих ЗУ была показана работоспособность схем
для записи, регенерации, отводов, дешифрации, ввода-вывода
информации и встроенных в кристалл вторичных источников на-
пряжения.
Имеются сообщения о том, что промышленность уже выпу-
скает три ЗУ на ПЗС. Первое ЗУ емкостью 9216 бит (Fairchild
Semiconductor) состоит из 9 регистров по 1024 элемента. Каж-
дый из регистров состоит из небольшого блока серпантинного
Вь/ffop
запись/регенерация кристалла
Синхрон U '
нация
записи
Хранение
Сигнала ____
выборки
информация
информация
Bb/fiop
кристалла
Фиг. 7.8. ЗУ с петлевой организацией на ПЗС [303].
а — фотография интегральной схемы; б —блок-схема одной петли.
Цифровые запоминающие устройства	273
типа с регистрами по 128 ячеек, заключенными между схемами
восстановления. Среднее время выборки равно 165 мкс и ЗУ
предназначено для замены полупроводниковых регистров сдви-
га. Тем же изготовителем разработано второе ЗУ емкостью
16 284 бит с более коротким средним временем выборки, так что
он может использоваться для буферной кэш-памяти1) и проме-
жуточной памяти. Использование подобных периферийных на-
копителей позволило бы уменьшить объем более дорогих ЗУПВ,
выступающих в качестве главного ОЗУ. Запоминающее устрой-
ство на ПЗС разделено на четыре секции, каждая из которых
содержит 32 регистра по 128 элементов и собственную дешифри-
рующую матрицу, позволяющую выбирать любой из этих реги-
стров. При тактовой частоте 5 МГц среднее время выборки
равно 12,8 мкс, а рассеиваемая мощность составляет 200 мВт,
и она может быть снижена стандартным способом до 50 мВт.
Размер кристалла 5 X 5,5 мм2. В обоих случаях использованы
ПЗС с объемным каналом n-типа с ионно-имплантированными
барьерами и двухфазные одноуровневые легированные поли-
кремниевые электродные структуры. Все периферийные схемы
выполнены на n-канальных МОП-транзисторах с изоляцией
типа «изопланар».
Третье выпускаемое промышленностью ЗУ на ПЗС имеет
емкость 16 К (Intel Corporation) и организовано в виде 64 ре-
гистров по 256 разрядов; использован ПЗС с поверхностным ка-
налом n-типа и четырехфазной двухуровневой поликремниевой
электродной структурой. Частоту переноса можно изменять в
диапазоне 0,125—1 МГц, обеспечивая минимальное среднее вре-
мя выборки 128 мкс. На частоте 1 МГц кристалл рассеивает
150 мВт и дополнительно 450 мВт рассеивается на внешнем
тактовом формирователе. Более высокая скорость передачи ин-
формации, чем частота переноса, может быть получена за счет
демультиплексирования информационных потоков либо в кри-
сталле, либо вне его.
4.	ЗУ НА ПЗС С СОХРАНЕНИЕМ ИНФОРМАЦИИ
ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ПИТАНИЯ
В некоторых случаях использование ЗУ на ПЗС невозможно
из-за разрушения информации при отключении питания. Этот
недостаток устраняется при использовании МНОП-структур
[304] совместно с регистрами сдвига на ПЗС. В этом случае
тонкий слой окиси кремния обычно толщиной 2—2,5 нм
!) Кэш-память — тайная память — буферная сверхоперативная память,
дублирующая часть ОЗУ и недоступная программисту. — Прим, перев.
274
Глава 7
выращивается на кремниевой подложке и покрывается сверху
слоем нитрида кремния толщиной 50—100 нм. На этой структуре
формируются затем металлические электроды. При сильном сме-
щающем напряжении на электродах заряд из кремниевой под-
ложки или инверсионного слоя может вытягиваться и захваты-
ваться на границе раздела окисел — нитрид. Захваченный на
ловушки заряд меняет пороговое напряжение МНОП-структуры,
которая является затвором полевого транзистора. Наоборот, по-
давая на электроды смещающее напряжение противоположного
знака, можно удалить захваченный заряд. Таким путем можно
создать электрически управляемое перепрограммируемое полу-
постоянное ЗУ с временем хранения порядка нескольких лет при
комнатной температуре. В другом варианте такой структуры
с более длительным хранением [306] используются толстый слой
двуокиси кремния (10 нм) и ионы металлов на границе раздела
окисел — нитрид [305].
В обычной памяти на МНОП-транзисторах напряжение, ко-
торое определяет хранение элементом «единицы» или «нуля»,
подается на металлический электрод. В ПЗС информация вво-
дится в виде зарядовых пакетов, наличие или отсутствие кото-
рых определяет, записан или не записан заряд на границе
диэлектриков каждой МНОП-структуры. Для такого типа ЗУ
было предложено название «энергонезависимая память с заря-
довым управлением»1) [289, 307]. МНОП-структура может ис-
пользоваться в ЗУ на ПЗС по крайней мере тремя способами.
Один способ состоит в том, что МНОП-структуру помещают в
приборе прямо над каналом переноса зарядов. Схема четырехфаз-
ного ПЗС, выполненного таким образом, показана на фиг. 7.9, а,
где участки, покрытые точками, представляют собой МНОП-
структуры. Зарядовые пакеты, подлежащие записи, переносятся
до соответствующей части прибора и затем записываются на ло-
вушки границы раздела окисел — нитрид при повышении на-
пряжения на электроде МНОП-структуры до верхнего уровня
(~20—30 В). В тех ячейках, которые содержат зарядовый
пакет, падение потенциала происходит главным образом на изо-
ляторе и носители попадают на границу раздела диэлектриков.
В тех ячейках, где зарядовые пакеты отсутствуют, электриче-
ское поле в изоляторе слишком мало, чтобы вызвать туннелиро-
вание, и состояние на границе раздела диэлектриков не изме-
няется.
Накопленная информация может быть считана без разруше-
ния при помощи следующей процедуры. Вначале весь регистр
заполняется зарядом. Затем напряжения на электродах умень-
9 Неразрушаемая зарядо-адресуемая память («nonvolatile charge-addres-
sed memory» (NOVCAM)]. — Прим, перев.
Цифровые запоминающие устройства
275
шаются, так что лишние заряды уходят в подложку, но под
электродами МНОП-структур, где хранятся заряды, остается
дополнительный зарядовый рельеф. Эти зарядовые пакеты мо-
Выходной
сигнал
Вход ной
сигнал
Л iLi.LiXf
02----------------------------
ФЗ----------------------------
Ф4--------------—----------
Выходной^
сигнал
Диффузионная
ииина
Передающий
электрод
Накапливающий
электрод
Электрод ВВода
и Вывода
Входной
сигнал
0/4
02 —
0J —
04 —
Выходной,
сигнал
Фиг. 7.9. Использование МНОП-структур (участки, покрытые точками) для
создания ЗУ на ППЗ, сохраняющих информацию при отключении питания,
а —запоминающая ячейка в передающем канале; б—-запоминающая ячейка на краю
канала; в — ячейка отделена от канала и от входной шины двумя затворами
гут быть выведены затем из прибора обычным образом. В ра-
боте [308] описано функционирование 10-разрядной памяти та-
кого типа. При этом неэффективность переноса составляла
1,5-10~2 Неясно, является ли это характеристикой тонкого слоя
окисла МНОП-структуры в канале переноса или это — следствие
особой последовательности процессов изготовления прибора. На

Глава 7
толстом слое (100 нм) окисла под слоем нитрида может быть
получена очень низкая плотность состояний (1-Ю9 см~2-эВ-1)
на границе раздела [43].
Чтобы избежать снижения эффективности переноса, запоми-
нающие ячейки можно поместить рядом с передающим каналом
(фиг. 7.9,6). В этом случае [309] информация передается по ка-
налу, который имеет обычную конструкцию и толщина окисла
которого составляет 100—150 нм. Ввод и вывод информации в
запоминающие ячейки на МНОП-структурах производится пу-
тем боковой параллельной передачи. Последовательность опера-
ций записи и считывания для р-канального прибора иллюстри-
руется на фиг. 7.10 для «единицы» и «нуля» соответственно. Ин-
формация вводится вдоль передающего канала (а) и передается
вбок под электрод МНОП-конденсатора (б). Там, где имеется
заряд, он захватывается на границу раздела диэлектриков при
подаче импульса напряжения 20—30 В на расположенный выше
электрод ячейки памяти (фиг. 7.10, в). Остаточный заряд воз-
вращается в передающий канал и выводится из прибора. До-
полняющий зарядовый рельеф может быть образован включе-
нием всех электродов передающего канала и заполнением при-
бора зарядом. Там, где положительный заряд на поверхности
раздела диэлектриков отсутствует, в приповерхностной области
полупроводника собирается зарядовый пакет. При наличии за-
хваченного в диэлектрике заряда приповерхностная область по-
лупроводника не может удержать зарядовый пакет (фиг. 7.10,г).
При подаче соответствующей последовательности импульсов эта
информация считывается с прибора (7.10, д). Как и в большин-
стве ЗУ с МНОП-структурами, появляющийся на выходе сиг-
нал проинвертирован по отношению к первоначально записан-
ному сигналу.
Скорость процессов считывания и записи можно увеличить
за счет более сложной организации [307] (фиг. 7.9, в). В этом
случае элемент памяти может быть изолирован от передающего
канала с помощью затвора, так что передача информации по
регистру может осуществляться одновременно с процессами
записи и стирания в запоминающих ячейках. Остаточный заряд
во время записи сбрасывается в диодную шину сброса, а во
время считывания заряд может поступать из этой шины при
открывании затвора установки. Эта последняя ячейка памяти
обладает большим быстродействием, чем две описанные выше,
но имеет большую площадь. Предпочтительной конструкцией
для матриц с большой плотностью упаковки, по-видимому, бу-
дет конструкция, показанная на фиг. 7.9, б.
Экспериментальная интегральная схема энергонезависимого
ЗУ с зарядовым управлением описана в [310]. ЗУ имело органи-
зацию, аналогичную изображенной на фиг. 7.9, в. Фотография
Цифровые запоминающие устройства
277
ПЗС МНОП-
ДИИИП структура
Ь*ИИЙБМ^И»1Н11НН111|Я
Инверсионный i
слой /
а
Фиг. 7.10. Поперечный разрез ПЗС и примыкающей МНОП-структуры, демон-
стрирующий цикл записи/считывания «единицы» (слева) и «нуля» (справа)
[309].
а —введение заряда, подлежащего записи; б —передача в МНОП-структуру; в —подача
напряжения записи, вызывающего туннелирование заряда на границу раздела; г —при
выборке заряд из наполненного передающего канала удерживается только под теми
МНОП-структурами, где ловушки нейтральны; д—-передача заряда обратно в ПЗС при
выборке.
ячейки памяти приведена на фиг. 7.11, а. Во время записи
(фиг. 7.11,6) заряд передается путем выталкивания из-под пе-
радающего электрода в главном регистре сдвига под электрод
МНОП-структуры, который имеет в 10 раз меньшую площадь.
Это уменьшение обеспечивает эффективное увеличение
278
Глава 7
поверхностной разности потенциалов для случая записи «еди-
ницы» и «нуля». Для того чтобы считать накопленную инфор-
мацию (фиг. 7.11, в), зарядовый пакет помещается в параллель-
Регистр сдвига
на ПЗС
Входной Входной Удерживаю- МНОП- Передающий
диод электрод ищи электрод ячейка электрод
W
&Z7ZZZZ7ZZ7ZZZZX
Wz^ZzZ^ZZ/Z
Условия считывания
6
Фиг. 7.11. Энергонезависимая запоминающая ячейка с зарядовым управле-
нием [310];
а — микрофотография ячейки; б — поперечный разрез ячейки при записи; в — поперечный
разрез ячейки при считывании
ную удерживающую яму путем подачи импульса на параллель-
ный диод с последующим смещением диода в обратном направ-
лении согласно методу равновесия потенциалов, описанному в
гл. 4 (разд. 4.3). Этот заряд может затем быть передан либо в
главный регистр сдвига, либо обратно в параллельный диод в
Цифровые запоминающие устройства	279
зависимости от того, имеется или не имеется заряд на границе
раздела диэлектриков. Произведенные таким образом зарядо-
вые пакеты затем считываются обычным способом.
В ЗУ содержалось 64 элемента и был использован слой дву-
окиси кремния толщиной 2,5 нм, покрытый слоем нитрида крем-
ния толщиной 50 нм. Одновременная запись в каждую ячейку
выполнялась за 5 мкс импульсом —20 В, подаваемым на элек-
трод МНОП-структуры. Информация считывалась за 5 мкс им-
пульсом —2 В и стиралась за 10 мкс импульсом 20 В. В ЗУ по-
следовательно накапливалась и регенерировалась информация
после нескольких часов хранения. Авторы полагают, что может
быть изготовлена ячейка размером 600 мкм2/бит, которая позво-
лит получить энергонезависимую полупроводниковую память с
очень высокой плотностью элементов и с приемлемым временем
выборки.
Глава 8
Двумерные и логические матрицы
1.	ДВУМЕРНЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ МАТРИЦЫ
Хотя по внешнему виду большинство интегральных схем яв-
ляются двумерными, рассмотренные выше устройства имеют ли-
нейную организацию потоков заряда. Иногда путь переноса за-
ряда разветвляется, как, например, во входном регистре после-
довательно-параллельно-последовательного блока ЗУ (фиг. 7.3),
и тогда требуются расположенные в определенных местах
ячейки, которые передают заряд одной из двух ближайших со-
седних ячеек. Если матрица сформирована из ячеек так, что
ячейки могут передавать заряд не только одной из соседних, то
эта матрица уже является двумерной [311]. Такая матрица об-
ладает дополнительными степенями свободы и, следовательно,
дает новые возможности для обработки сигналов.
1.1.	ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОДОВ
Прямое развитие исходного принципа трехфазных ПЗС [9]
привело бы к двумерной ячейке, состоящей из 3 X 3 отдельных
электродов и требующей девять отдельных фаз синхронизации.
Однако подобная структура была бы неоправданно сложна, и
ее реализация вызывает затруднения. Изменяя соединения от-
дельных электродов, можно создать устройство лишь с пятью
различными фазами синхронизации, в котором каждый электрод
имеет четыре ближайших соседа, принадлежащих различным
фазам системы. На фиг. 8.1 каждый электрод представлен квад-
ратом и записанное в нем число указывает, к какой фазе он
подсоединен. Возможные направления переноса заряда указаны
двойными стрелками. Такая структура позволяет сдвигать за-
рядовый рельеф во всех четырех направлениях выбором под-
ходящей синхронизирующей последовательности возбуждения
фаз тактового питания.
Расширение принципа двухфазных ПЗС ведет к двумерной
ячейке, показанной на фиг. 8.2, где заштрихованные области
указывают потенциальные барьеры, обеспечивающие направлен-
ность переноса зарядов. Минимальное число синхронизирующих
фаз, достаточное для предоставления полной свободы выбора
Двумерные и логические матрицы
281
направления переноса в каждую сторону, равно трем; но вслед-
ствие встроенной направленности переноса каждого электрода
заряды могут передаваться только в двух возможных ортого-
нальных направлениях.
Двумерные матрицы, рассмотренные до сих пор, имеют на-
ибольшую возможную плотность упаковки. Все электроды в
матрице одинаковы, и, следовательно, можно выполнять дву-
мерные переключательные операции, т. е. менять направление
переноса зарядовых паке-
тов с помощью любого
электрода. Во многих при-
менениях такая гибкость
может и не требоваться.
Например, в таких уст-
ройствах, как последова-
тельно-параллельные пре-
образователи массивов
информации, может ока-
заться более важным, что-
бы все зарядовые пакеты
входили и покидали мат-
рицу во время одной и
той же фазы. Это ведет
к структуре матрицы, изо-
браженной на фиг. 8.3. Су-
щественно, что системы
синхронизирующих шин
ортогональны и ТОЛЬКО Фиг- 8Л- Двумерная передающая матрица,
г	о	образованная пятью группами электродов,
один специальный элек- F	г
трод S каждой ячейки
выполняет двумерные переключательные функции. Между та-
кими специальными электродами переключения лежат обычные
электроды переноса, обеспечивающие движение зарядовых па-
кетов по горизонталям и вертикалям матрицы. Использование
электродной структуры (фиг. 8.3, а), которая позволяет менять
направление переноса зарядовых пакетов, дает возможность по-
строить ячейку с одним переключательным элементом S, двумя
рядами линейных связывающих электродов VI и V2, предназна-
ченных для вертикального переноса, и двумя столбцами Н1 и
Н2 для горизонтального переноса. Направление переноса опре-
деляется последовательностью импульсов, поданной на эти элект-
роды. Если используются электроды со встроенной направлен-
ностью (фиг. 8,3,6), то достаточно одного связывающего элек-
трода для вертикального переноса V и одного для горизонталь-
ного переноса Н. В результате ячейка будет иметь только три
электрода (фиг. 8.3,6).
1
Фиг. 8.2. Двумерная передающая матрица, образованная тремя группами на-
правленных электродов [311].
Фиг. 8.3. Упрощенная двумерная матрица, образованная специальными пере-
ключающими электродами S, соединяющими либо ненаправленные (а), либо
направленные (б) электроды переноса [311].
Двумерные и логические матрицы
283
1.2.	ТОПОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЯ
Положительная особенность матриц, показанных на фиг. 8.3,
состоит также в том, что они могут быть выполнены без кон-
тактных окон между слоями металла в области активного пе-
реноса заряда. Горизонтальные и вертикальные электроды пе-
—Области стол-дидасрузии
барьеры, обеспечивающие
однонаправленность
Фиг. 8.4. Матрица, показанная на фиг. 8.3, б, с электродами, сформирован-
ными в двух слоях металла. Для однонаправленности используется ступенча-
тый окисел или имплантированные барьеры.
реноса можно сформировать в виде прямых проводящих полос
в двух слоях проводника. Например, в устройстве с направлен-
ными электродами, показанном на фиг. 8.3, б, электроды Н сфор-
мированы в первом слое поликремния, а электроды V — во вто-
ром (фиг. 8.4). Области ниже пересечений этих электродов
должны быть недоступны для неосновных носителей либо за
счет подходящего легирования подложки (области стоп-диффу-
зии), либо за счет утолщения окисла. Электроды S либо вы-
полнены в третьем слое металла (не показанного на фиг. 8.4),
который может покрывать всю структуру, либо они
284
Глава 8
сформированы во втором слое металла как второй ряд провод-
ников, расположенных между электродами V.
Во время работы прибора на эти электроды может пода-
ваться одна из двух фаз питающего напряжения, а направление
переноса заряда зависит от того, куда будет приложена вторая
фаза. Эти электроды могут также находиться под постоянным
потенциалом. Когда на один из двух других электродов подано
переменное напряжение, пульсирующее с достаточно большой
амплитудой относительно этого потенциала, происходит перенос
заряда вдоль рядов или столбцов однофазным способом (гл. 3,
разд. 1.6). Необходимая направленность переноса зарядов до-
стигается теми же способами, которые описаны в гл. 3, разд. 1.
Такие ортогональные матрицы, обеспеченные схемами входа
и выхода со столбцов и строк, образуют массив последователь-
но-параллельных преобразователей. Используя входы по всем
рядам, массив последовательной информации вводится одновре-
менно с помощью синхронизирующих электродов Н. После того
как массив заполнит всю матрицу, тактовые импульсы подают-
ся на электроды V и информация в параллельной форме появ-
ляется на выходах у основания столбцов. Такие матрицы могут
выполнять пространственно-временное распределение как часть
коммутационной системы с разделением времени [312].
1.3.	МАТРИЦЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В матрицах, описанных выше в достаточно общей форме,
используются идентичные ячейки. Если же ячейки матрицы не
идентичны, то с помощью таких двумерных матриц можно вы-
полнять более специализированную обработку информации.
В качестве примера рассмотрим матрицу из плотно располо-
женных неизстропных элементов (фиг. 8.2) [311]. Такая перио-
дическая структура выглядит как матрица гиперячеек, которые
содержат по 3 X 3 электродов и которые или удерживают, или
передают три разделенных во времени зарядовых пакета. Од-
нако если пространство под одним электродом недоступно для
зарядов (имеется область стоп-диффузии) (фиг. 8.5), то харак-
тер движения различных групп зарядовых пакетов изменяется.
Например, рассмотрим два зарядовых пакета Р и Q (фиг. 8.5),
первоначально находившихся в одной гиперячейке под двумя
«доступными» электродами, связанными с фазой 1. Эти пакеты
можно сложить, если включать электроды матрицы в после-
довательности 3, 1,3. На первом такте оба пакета перемещаются
на одну ячейку вниз. Затем пакет Р двигается направо, a Q
остается на месте, заблокированный областью стоп-диффузии.
На следующем такте пакет Р соединится с пакетом Q в резуль-
тате его вертикального переноса. Во всех других гиперячейках
Двумерные и логические матрицы
285
зарядовые пакеты подвергнутся тем же преобразованиям. Если
же импульсы подаются на тактовые шины в последовательности
3, 1, 2, 3, 2, 1,2, 1, 3, то два зарядовых пакета Р и Q будут
перемещаться вдоль штриховой линии (фиг. 8.5) к следующей
гиперячейке. Так как пакет Q дважды блокируется областью
стоп-диффузии и задерживается в целом на четыре такта, то
Фиг. 8.5. Матрица специального назначения (выполняет операции слияния за-
рядовых пакетов и производит их маневрирование [ЗН]).
пакет Р перегоняет пакет Q. Это свидетельствует о том, что по-
добные и другие маневры производятся в структуре, которая
имеет лишь три независимых ряда электродов и может быть
реализована с одним слоем металла.
1.4.	ДВУМЕРНЫЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МАТРИЦЫ
Двумерные передающие матрицы могли бы также найти при-
менение в электронно-оптических системах, т. е. при обработке
видеосигналов, распознавании изображений и символов. На
фиг. 8.6 показана матрица, которая сдвигает аналоговый заря-
довый рельеф, созданный оптическим сигналом, по всем четы-
рем направлениям, указанным стрелками. Путь произвольного
движения рельефа определяется сигналами от специальной
286
Глава 8
ячейки, которая способна выполнять неразрушающее считывание,
например с помощью усилителя с плавающим затвором (гл. 3,
разд. 3.1). При таком способе можно просканировать границу
зарядового рельефа, нарисовать линии равного уровня и опре-
делить локальный максимум. Как только информация будет
И Ячейки ПЗС, удерживающие
зарядовые пакеты
Неразруилающее считывание
(усилитель с плавающим затвором)
Фиг. 8.6. Двумерная матрица, сдвигающая аналоговый зарядовый рель-
еф [311].
зарегистрирована, заряд инжектируется в подложку для очи-
стки устройства.
Подобная процедура нашла бы применение в системах чте-
ния символов для поиска специально предусмотренной регистра-
ционной метки. Весь зарядовый рельеф в результате передви-
жения оказывается в определенном положении перед его даль-
нейшей обработкой.
2.	ЛОГИЧЕСКИЕ МАТРИЦЫ
Возможности ППЗ выходят за рамки простого сдвига ин-
формации. С их помощью можно выполнять и логические функ-
ции над взаимодействующими зарядовыми пакетами. Если
Двумерные и логические матрицы
287
удастся получить эти функции, сохранив простоту и малые раз-
меры ППЗ, то в результате появятся полезные логические уст-
ройства на ППЗ.
2.1.	ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЯЧЕЙКИ
Первоначально было предложено выполнять основные функ-
ции НЕ-И и HE-ИЛИ с помощью двух схем регенерации заря-
довых пакетов [106], описанных в гл. 3, разд. 3.3. Два затвора
схем регенерации, подсоединенные к считывающим диффузион-
ным областям двух входных каналов, управляют параллельно
или последовательно инжекцией зарядового пакета в выходной
канал и, следовательно, выполняют логическую функцию НЕ-И
или HE-ИЛИ соответственно. Недостаток этого способа состоит
в том, что логическая ячейка на основе регенератора содержит
контакты между считывающими диффузионными областями и
затворами регенераторов. Кроме того, для нормальной работы
схемы регенерации требуется напряжение, превышающее порог.
В общем случае такие ячейки требуют значительно большего
пространства, чем основные ячейки ПЗС, и не приспособлены
для выполнения более сложных логических функций.
Для выполнения логических операций можно использовать
непосредственное взаимодействие зарядовых пакетов. Так, ис-
пользуя вытекание заряда из потенциальной ямы известной глу-
бины при ее переполнении, легко установить наличие в ней бо-
лее чем одного пакета. При этом можно построить простую ячей-
ку [313, 314], которая выполняет как логическую функцию И, так
и ИЛИ над двумя входными переменными. Она содержит пять
направленных электродов, подсоединенных лишь к двум различ-
ным фазовым линиям (фиг. 8.7,а). В течение фазы 1 два вход-
ных зарядовых пакета втекают под электроды А и В. Затем во
время включения фазы 2 и отключения фазы 1 оба пакета скла-
дываются под электродом S. Так как электрод S может удер-
живать только один пакет, лишний заряд будет перетекать под
электрод А-В, если и только если оба электрода А и В перво-
начально содержали «единицу», представляемую полным заря-
довым пакетом. В следующем полуцикле, когда фаза 2 выклю-
чается, а фаза 1 включается снова, если под электродом S при-
сутствовал зарядовый пакет, то он перетекает под электрод
А4-В. Несколько подобных ячеек, соединенных соответствую-
щим образом, выполняют многовходовые функции И, ИЛИ или
их комбинацию.
С помощью небольших изменений вышеописанные ячейки
можно превратить в элементы пороговой логики. На фиг. 8.7,6
приведена схема устройства, которое выполняет пороговую
функцию «более чем два из четырех». Входные электроды
288
Глава 8
к, В, С, D передают сигнальные зарядовые пакеты под электрод
S, который в этом устройстве удерживает точно два единичных
зарядовых пакета. Лишний заряд перетекает под электрод, обо-
Фиг. 8.7. Расположение направленных электродов, обеспечивающее выполне-
ние двоичных логических функций (а) и пороговых функций (б) над несколь-
кими переменными.
значенный «>2». В следующий полуцикл заряд из-под элект-
рода S переносится в «поглощающий» электрод. При другом
числе входных электродов и других размерах электрода S мо-
гут быть спроектированы различные пороговые схемы.
Описанные выше логические ячейки имеют те же самые раз-
меры, что и регулярые передающие ячейки. Их недостатки за-
ключаются в том, что они разрушают входную информацию, а
Двумерные и логические матрицы
289
выходная информация не допускает разветвления из-за отсут-
ствия усиления. Для того чтобы зарядовые пакеты можно было
использовать как логические переменные, они должны допускать
выполнение полной системы логических функций, включая опе-
рацию отрицания, а также обладать хорошими коммутацион-
ными способностями: иметь размножение по выходу, обеспечи-
вать передачу на значительное расстояние, допускать взаимное
пересечение. Выполнение этих требований затруднено без ис-
пользования схем регенерации, а способ образования отрицания
логического сигнала без регенерации вообще неизвестен. Это
ограничивает размеры комбинационных логических деревьев,
которые могут выполняться только на ячейках с переносом за-
ряда.
2.2.	ДВОИЧНЫЕ СУММАТОРЫ И УМНОЖИТЕЛИ
Комбинируя переполняющиеся ячейки с регенераторами или
инверторами, можно построить достаточно сложные функцио-
нальные блоки. В качестве примера рассмотрим компоновку
полного сумматора [315], приведенную на фиг. 8.8, а. Два входа
А и В и перенос Q из предыдущего каскада объединяются на
электроде D, который удерживает только один зарядовый пакет.
Добавочный заряд будет таким образом протекать над барье-
ром в электрод С и производить на выходе сигнал переноса в
следующий каскад. Зарядочувствительный элемент под электро-
дом С, плавающий затвор или диффузионная область управ-
ляют затвором передачи между электродами D и S. Если заряд
под электродом С отсутствует, содержимое электрода D пере-
дается под электрод S, содержимое которого представляет вы-
ход суммы. Если присутствуют три входных зарядовых пакета,
один пакет продвинется по всему пути до электрода I, из кото-
рого он неизбежно попадет вначале под электрод К, а затем под
электрод S. Когда сумма и перенос считаны, заряд из D будет
опорожнен с помощью электрода F в поглощающий р — /1-пе-
реход. Соответствующая временная диаграмма показана на
фиг. 8.8, б. Три временных интервала требуются для выполне-
ния пороговой функции, так как заряд, который достигает I,
должен пройти под тремя электродами. Общее время операции
составит пять временных интервалов.
На фиг. 8.9 показан четырехразрядный умножитель, скон-
струированный на таких сумматорах. Дополнительные элементы
задержки введены для обеспечения соответствующего согласо-
вания во времени и синхронизации входов для каждого сум-
матора. В работе [315] были сделаны оценки и показано, что
такой умножитель потребует 0,67 мм2 площади кристалла и
на частоте fc = 1 МГц будет потреблять мощность» приблизи-
Зарядо-
чувствительный,
элемент
К (Передача)
Перенос
F (Передача)
f р-п- переход
\Сток оаряЗа\
| 5 |—^ Сумма
барьер
б
фиг. 8.8. Полный сумматор (а) на элементах, изображенных на фиг. 8.7, а, и
временная диаграмма (б) его работы [315].
Двумерные и логические матрицы
Фиг. 8.9. Четырехразрядный умножитель на сумматорах, приведенных на
фиг. 8.8, а, и с дополнительными элементами задержки [315].
тельно равную 290 мкВт. Общая задержка от входа до выхода
составит 34 интервала величиной 1/2 /с, но последующие сиг-
налы на выходе (период работы устройства) будут появляться
через 9 временных интервалов (4, 5 мкс на тактовой частоте
1 МГц).
2.3.	УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ МАТРИЦЫ
При проектировании логических устройств наметилась тен-
денция все больше внимания уделять новым видам элементов,
которые обеспечивают выгодные для интегральной реализации
качества: планарность, регулярность, модульность [316]. Во мно-
гих работах исследованы возможности удовлетворения этим
292
Глава 8
требованиям. Расположение логических ячеек переноса заряда
(фиг. 8.7, а) в двумерную матрицу было бы шагом вперед в
этом направлении.
Фиг. 8.10. Универсальная логическая сеть на основе двумерной сдвигающей
матрицы (а) и использование расположенного выше слоя для изменения вход-
ных сигналов (б) [316].
В работе [316] рассмотрены также и прямоугольные логиче-
ские матрицы с более сложными ячейками. Основной элемент
представляет собой трехвходовый мажоритарный вентиль, ко-
торый выполнен как двумерная двухвходовая сдвигающая
ячейка, связанная двумя выходами с ближайшими соседями
Двумерные и логические матрицы	293
(фиг. 8.10). Эта передающая матрица работает как логическое
устройство с фиксированными связями, свойства которого в
определенных пределах могут зависеть от периферийных входов
Xi и Уг. Третий ряд входов расположен над матрицей, что схе-
матически представлено на фиг. 8.8, б. На эти входы подаются
переменные входные сигналы, которые, в частности, могут за-
даваться оптически. Выходной сигнал ячейки в нижнем правом
углу будет сложным образом зависеть от входных сигналов,
проецируемых на матрицу.
Идеи подобных универсальных логических устройств станут
плодотворны, когда появится возможность их реализации в виде
двумерных передающих матриц таких, которые описаны выше
в этой главе.
Глава 9
Заключение
1.	ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ППЗ
Основная идея потенциальных ям, движущихся вдоль по-
верхности полупроводника, привела к появлению множества
электродных структур, описанных в гл. 3, и изобретению раз-
личных приборов, рассмотренных в предыдущих четырех гла-
вах. В течение нескольких последних лет ППЗ были хорошо изу-
чены и подробно описаны. Были развиты общие основы теории
ППЗ и установлены специфические ограничения их характери-
стик. Успехи в области исследований и разработок ППЗ в тече-
ние последних пяти лет обобщены в работах [105, 317—323]1).
Несмотря на то что основные процессы в ППЗ сейчас вполне
понятны, современные результаты анализа многих сторон по-
ведения этих устройств еще не полны. Это особенно относится
к входным и выходным цепям, детальное теоретическое и экс-
периментальное изучение линейности и шумов которых еще
только начинается. Процессы переноса подвижного заряда в
ППЗ с различными электродными структурами исследованы
довольно хорошо, и имеющиеся модели достаточно точно пред-
сказывают характеристики приборов для большинства приме-
нений. Все же для анализа на ЭВМ можно строить более слож-
ные модели движения заряда, в том числе трехмерные. Такие
расчеты целесообразны, даже если они окажутся очень дорого-
стоящими и неочевидна немедленная польза от них для прак-
тических применений.
Большой интерес для исследователей представляет точный
анализ поведения поверхностных состояний. Однако результаты
исследования энергетического распределения и величины попе-
речных сечений захвата часто являются весьма неопределен-
ными. Эти данные обычно получают из вольт-фарадных (С — V)
характеристик [324] или из измерений проводимости [325] МОП-
конденсаторов. Важно отметить, что такие измерения надо про-
изводить на подложках из полупроводника, тип проводимости
которого противоположен типу проводимости полупроводника.
9 См. также обзор, главным образом, зарубежных работ в книге: Но-
сов Ю. Р., Шилин В. А., Полупроводниковые приборы с зарядовой связью,
Массовая библиотека инженера, Электроника, вып, 11, изд-во «Советское ра-
дио», М., 1976. — Прим. ре&
Заключение
295
используемого в ПЗС, для. того чтобы перекрыть в запрещенной
зоне интервал энергий, где находятся состояния, на которые за-
хватываются носители заряда в ПЗС с поверхностным каналом.
При этом правильность измерения любых величин с помощью
обычных методик, применяемых к МОП-конденсагорам, являет-
ся спорной. Дело в том, что существование и распределение по-
верхностных состояний сильно зависит от последовательности
операций изготовления и свойств материала подложки. Некото-
рые ограничения этих методик и современные представления о
состояниях на границе раздела окисел — кремний рассмотрены
в работе [326]. Однако результаты измерения неэффективности
переноса и шума переноса в ПЗС с поверхностным каналом
можно использовать для нахождения плотности поверхностных
состояний и их поперечных сечений захвата. Такие измерения мо-
гут привести к более точным и чувствительным методикам, чем
способы, использующие МОП-конденсаторы]). На это указы-
вают результаты измерений очень низких плотностей поверхно-
стных состояний (гл. 4, разд. 3.1). Более детальные теоретиче-
ские модели и экспериментальные исследования ПЗС при раз-
личных температурах, вероятно, будут полезны для разрешения
некоторых существующих в настоящее время явных противоре-
чий. Наиболее очевидное из них — постоянство неэффективно-
сти переноса заряда в ПЗС с поверхностным каналом и шума
переноса в широком диапазоне тактовых частот. В то же время
измерения характеристик МОП-конденсаторов на подложке, тип
проводимости которой противоположен типу проводимости под-
ложки ПЗС, указывают на увеличение плотности поверхност-
ных состояний вблизи краев запрещенной зоны и, следователь-
но, предсказывают рост неэффективности переноса с увеличе-
нием тактовой частоты.
ПЗС с объемным каналом дают возможность описать и из-
мерить параметры объемных ловушек, поведение которых в на-
стоящее время изучено лучше, и наши представления о них со-
держат меньше противоречий, чем о состояниях на границе раз-
дела. Отдельной задачей, которая требует решения, является
моделирование движения очень малых зарядовых пакетов, со-
держащих лишь несколько электронов, в ПЗС с объемным
*) Способ измерения очень низких значений интегральной плотности по-
верхностных состояний (при комнатной температуре до 104 см~2) при помощи
лишь нескольких электродов ПЗС предложен и развит в работах: Поспе-
лов В. В., Сурис Р. А., Фетисов Е. А., Фукс Б. И., Хафизов Р. 3., Новый
способ определения плотности состояний на поверхности полупроводника,
«Письма в ЖЭТФ», т. 21, вып. 7, 1975; Pospelov V. V., Suris R. A., Fouks В. I.,
Hafizov R. Z., Influence of Surface States on the Charge Transfer along the
Dielectric—Semiconductor Interface, Ш-th Internationale Conference «The
Technology and Applications of Charge Coupled Devices», Edinburgh, 1976,
pp. 31—37. — Прим. ped.
296
Глава §
каналом при наличии объемных ловушек с одним или несколь-
кими энергетическими уровнями. Такие расчеты важны для оп-
ределения предельных значений обнаружительной способности
приемников изображения, работающих в условиях низкой осве-
щенности.
2.	ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЗС
Современные исследования в области ППЗ концентрируются
главным образом на проблемах технологии их изготовления.
При этом основное внимание обращается на простоту изготов-
ления, высокий выход годных приборов и надежность. Хотя пе-
речень электродных структур, приведенный в гл. 3, выглядит
очень обширным, на практике он резко сокращается из-за того,
что необходимо обеспечить хорошие характеристики и малые
размеры. Кроме того, иногда нежелательно проводить некото-
рые технологические операции на конкретной технологической
линии. Играют свою роль и соображения, связанные с достиже-
нием высокого выхода годных приборов.
В большинстве сейчас изготавливаемых приборов исполь-
зуются один, два или три слоя поликристаллического кремния
и по крайней мере один слой металла для обеспечения высокой
проводимости шин и для выполнения контактных площадок.
В МОП-структурах с поликремниевыми электродами плотность
состояний на границе раздела окисел — кремний может быть
достаточно малой и, следовательно, эффективность переноса
заряда достаточно хорошей. Поликремниевые электроды обес-
печивают изоляцию последующих электродных слоев друг от
друга и получение периферийных цепей с самосовмещенными
затворами.
Современные технологические способы изготовления инте-
гральных схем определяли и будут продолжать определять кон-
струкции и характеристики ПЗС. Применение этих способов
сокращает время разработок, уменьшает риск и снижает стои-
мость продукции, в особенности при использовании промышлен-
ного оборудования. Однако есть причины, по которым необхо-
димо изменить технологические процессы и использовать обо-
рудование, созданное специально для изготовления ПЗС.
Основной упор в области создания ПЗС будет сделан на
приборы большой площади с очень большим числом элементов,
для которых соображения, связанные с выходом годных изде-
лий, будут чрезвычайно важными. При этом потребуется точно
контролировать качество фотолитографических процессов, осо-
бенно тех, которые используются для формирования каналов
переноса и электродов. В связи с этим станет существенным
следующее: поскольку многие ППЗ большой площади можно
Заключение
297
построить без контактных окон в активной области переноса,
критичными для выхода годных приборов будут размеры элект-
родов и зазоров между ними и число операций технологиче-
ского процесса, требующееся для изготовления данной элект-
родной структуры. При этом трехфазные структуры приводят к
двум совершенно разным конструкциям. В однослойных струк-
турах зазоры должны быть очень маленькими, что приводит ча-
сто к коротким замыканиям и низкому выходу годных. В трех-
слойной структуре характерные размеры гораздо больше, что
дает очень высокий выход годных в каждом слое, но для изго-
товления таких структур требуется высокий уровень технологии,
связанный с необходимостью формирования трех слоев поли-
кремния. Компромиссными являются двухфазные двухслойные
структуры, которые и используются в большинстве приборов.
Геометрия таких структур, которые являются особенно подхо-
дящими для ЗУ, уже рассматривалась в гл. 3 (разд. 1.5).
Успехи в развитии фотолитографии также могут оказать
влияние на выбор электродной структуры и окажут заметное
воздействие на размеры и на выход годных ПЗС. Использова-
ние системы экспонирования электронным лучом [70] позволяет
сделать фотошаблоны для изготовления больших приборов не-
посредственно, без многоступенчатого фотографического умень-
шения. Дальнейшим развитием этого метода является прямое
электронно-лучевое экспонирование пластин. Оно позволяет
уменьшить размеры деталей и избежать дефектов, возникающих
на фотошаблонах в ходе обычных фотолитографических опера-
ций. Такой подход может привести к повышению производи-
тельности, если он позволит изготавливать кристаллы с высокой
плотностью элементов и большой емкостью для ЗУ или телеви-
зионных приемников изображения с таким выходом годных, ко-
торый другими способами нельзя будет получить. Другое воз-
можное решение проблемы повышения выхода годных приборов
состоит в использовании фотошаблонов, изготовленных элект-
ронно-лучевым способом, и экспонировании в рентгеновских лу-
чах [327] или применении усовершенствованной бесконтактной
фотолитографии.
ПЗС аналогичны другим приборам на основе МОП-структу-
ры, но их характеристики более чувствительны к таким ее свой-
ствам, как плотность состояний на границе раздела и темновой
ток, которые до сих пор не удается получать строго заданными.
Зависимость этих свойств от времени, температуры или элект-
рического поля представляет собой ту трудность, которую не-
обходимо преодолеть прежде, чем можно будет гарантировать
надежность ПЗС. Стабильность пороговых напряжений МОП-
ПТИЗ достигается за счет тщательного контроля процесса из-
готовления, это же будет справедливо и по отношению к ПЗС.
Ю Зак. 816
298
Глава 9
Некоторый разброс пороговых напряжений от элемента к эле-
менту не очень существен для канала переноса, так как в ПЗС
зарядовый пакет все равно переносится полностью. Но для пе-
риферийных цепей величина порогового напряжения по-преж-
нему очень важна. Для ряда применений важно влияние радиа-
ции на ПЗС. Результаты исследований этих явлений приведены
в работе [323].
К настоящему времени получены очень низкие значения
плотности состояний на границе раздела в ПЗС с поверхно-
стным n-каналом (МО9 см“2-эВ-1), и, по-видимому, малове-
роятно, что этот результат будет улучшен. В ПЗС с объемным
каналом может оказаться возможным уменьшение плотности
ловушек (по сравнению с достигнутым сейчас уровнем
1 • 1011 см~3) за счет изучения природы обусловливающих их
примесей и подбора такой последовательности технологических
операций, которая исключает появление ловушек. Дальнейшее
улучшение таких характеристик, как эффективность переноса
и шум переноса, можно ожидать для ПЗС с объемным каналом,
но маловероятно для ПЗС с поверхностным каналом.
Другой характеристикой ПЗС, представляющей большой тео-
ретический и практический интерес, является темновой ток. До
сих пор было очень мало известно о том, что вызывает появле-
ние отдельных источников темнового тока и как они ведут себя
в различных условиях. ПЗС могут стать инструментом изучения
механизмов темновой генерации носителей. Проблемы уменьше-
ния темнового тока тесно связаны с процессом изготовления.
Хотя имеются высококачественные исходные монокристалличе-
ские слитки кремния с большим временем жизни неосновных
носителей, высокотемпературные операции обработки существен-
но снижают время жизни. Это обычно вызвано генерацией скоп-
лений дефектов в процессе окисления, возникновением дислока-
ций в ходе цикла высокотемпературных нагреваний и декориро-
ванием таких дефектных областей загрязнениями, попавшими
во время изготовления приборов. Загрязнения действуют затем
как центры рекомбинации — генерации. Исследование воздей-
ствия различных операций изготовления (таких, как очистка,
сухое и влажное окисление, геттерирование и нанесение ди-
электриков) на время запоминания МОП-конденсаторов прове-
дено в работе [172]. Авторы показали, что времена релаксации
емкости, измеренные при подаче импульса напряжения 10 В, мо-
гут находиться в диапазоне от 1000 до 0,1 с (и менее) в зависи-
мости от качества выполнения каждой из перечисленных техно-
логических операций. В результате сочетания минимального
числа высокотемпературных обработок, технологической гигие-
ны, подходящего геттерирования и процедур отжига можно соз-
дать приборы с низкими темновыми токами.
Заключение
299
Вначале ППЗ были построены лишь как приборы с перено-
сом заряда. Затем постепенно к ним добавлялось все больше и
больше периферийных цепей, таких, как схемы инжекции за-
ряда, выходные усилители и декодирующие логические устрой-
ства, в которых обычно используются МОП-ПТИЗ с каналом
того же типа проводимости, что и тип проводимости канала пе-
реноса. Однако есть применения, где требуются МНОП-элемен-
ты (металл — нитрид — окисел — полупроводник) или МОП-
ПТИЗ с каналом иного, чем в ППЗ, типа проводимости. Лучшие
характеристики ППЗ и высокую плотность упаковки элементов
можно получить при использовании технологии локального окис-
ления кремния [78, 79].
Технология ПЗС может в конце концов слиться в общем
русле с другими основными современными технологическими
процессами, такими, как локальное окисление кремния, МОП-
технология комплементарных ПТИЗ, и с процессами, исполь-
зуемыми при изготовлении биполярных транзисторов. В этом
случае станет возможным изготовление полностью интегриро-
ванных оптимизированных функциональных схем на одном кри-
сталле, содержащих широкий набор периферийных цепей, в том
числе операционные усилители, аналоговые перемножающие
устройства и цепи тактового питания.
3.	ПЗС ДЛЯ ПРИЕМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Развитие ПЗС в качестве приемников изображения было
особенно бурным из-за отсутствия других практических возмож-
ностей построения миниатюрного и чувствительного приемника
изображения, обладающего высоким разрешением. Сделанные
ранее (в первых работах по ПЗС) прогнозы оправдались и сей-
час не видно теоретических ограничений, которые воспрепятство-
вали бы работе приборов при очень низких уровнях заряда,
когда в сигнальном зарядовом пакете содержится всего лишь
несколько электронов, особенно при использовании охлаждения.
Нет уверенности, что при низком уровне освещения ПЗС с объ-
емным каналом превосходят ПЗС с поверхностным каналом.
В ближайшем будущем нужны будут приемники изображения
как с объемным, так и с поверхностным каналом. На это позво-
ляют надеяться: возможность обработки в ПЗС с поверхност-
ным каналом большего заряда при больших уровнях освещен-
ности, отсутствие при их изготовлении необходимости ионного
внедрения для создания скрытого канала и автоматическое по-
давление темнового тока вследствие уменынаения генерации че-
рез поверхностные состояния при накоплении заряда.
Линейные приемники изображения с высоким разрешением
быстро найдут применение в аппаратуре наблюдения и передачи
10*
300
Глава 9
факсимальных изображений и графиков. Конечно, осуществимы
и многоэлементные приемники изображения с числом элементов
500 X 500, которые будут работать без охлаждения на стандарт-
ных телевизионных частотах и смогут конкурировать по качеству
изображения с существующими передающими электронно-луче-
выми трубками типа «Плюмбикон» [328], хотя для достижения
этой цели потребуются значительные усилия1). Однако в бли-
жайшем будущем найдут применение приемники на ПЗС с не
очень низким темновым током, которые будут снабжены микро-
холодильниками на эффекте Пельтье. Использование микрохо-
лодильника приведет лишь к незначителному увеличению раз-
меров, потребляемой мощности и стоимости передающей теле-
визионной камеры. Менее жесткие требования к промышлен-
ным телекамерам для магазинов, транспорта или камерам для
бытовых видеомагнитофонов будут удовлетворены, по-видимому,
очень скоро. Но это произойдет не ранее, чем все возможные
улучшения, такие, как введение в конструкцию стоков, предот-
вращающих растекание, малошумящих интегральных усилите-
лей и освещение прибора с обратной стороны будут соединены
в выгодных для промышленного производства приборах с ма-
лым темновым током и высоким выходом годных.
Как двумерные, так и линейные приемники изображения на
ПЗС конкурируют с многоэлементными приборами из фотодио-
дов с регистрами сдвига для считывания и приборами с инжек-
цией заряда, которые можно создать с помощью обычной МОП-
технологии. Названные приборы могут быстро удовлетворить
потребность в приемниках с низким разрешением, которые нуж-
ны для устройств распознавания знаков, или в читающих уст-
ройствах для слепых. В таких применениях эти приборы могут
иметь преимущество перед ПЗС, так как их чувствительные эле-
менты легче сделать большими, поскольку размеры ячеек не
ограничены физическим механизмом работы прибора. В них
нет, например, таких ограничений, как наибольшая предельная
длина ячейки переноса, связанная со скоростью переноса. ПЗС
в свою очередь особенно удобны в качестве приемников изо-
бражения с высоким разрешением, поскольку они могут обес-
печить более высокое отношение сигнал/шум и большую одно-
родность чувствительности.
Использование ПЗС для преобразования изображений в ви-
деосигнал в инфракрасном диапазоне спектра еще только начи-
нается. Сейчас тщательно изучаются проблемы, связанные с
9 Лабораторные образцы таких приемников изображения на ПЗС были
созданы в 1974 г. (см., например, работы: Видеоформирователь на ПЗС с
полной телевизионной разрешающей способностью, Электроника, т. 41, № 6,
1974; «IEEE Transactions on Electron Devices», ED-23, № 2, pp. 183—189
(1976)). — Прим. ped.
Заключение
301
низкой контрастностью изображения при наличии большого
фона, и свойства границ раздела между диэлектриками и мно-
гими чувствительными в инфракрасной области материалами.
4.	ППЗ ДЛЯ ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Обработка сигналов, по-видимому, станет очень важной об-
ластью применения ПЗС. Новые возможности применения ППЗ
открылись там, где прежде не было простых и удобных путей
обеспечения необходимой точной задержки аналоговых сигналов
во времени. Другие аналогичные устройства слишком громозд-
ки (например, пассивные линии задержки на реактивных эле-
ментах) или, если они и компактны, дают ограниченное макси-
мальное время задержки (например, полосковые линии или
приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [329]).
Более того, задержка в таких приборах (поскольку она опреде-
ляется их геометрией) зависит от температуры, так как свой-
ства материала зависят от температуры. Эти приборы имеют
большие потери в местах подключения, и их характеристики
ухудшаются из-за несоответствующей нагрузки и явлений отра-
жения. Полосковые линии и приборы с ПАВ чаще всего рабо-
тают на модулированных радиочастотных сигналах, а не на ос-
новной полосе сигнала. В настоящее время ППЗ обеспечивают
точную, управляемую тактовым питанием задержку сигнала ос-
новной полосы, при этом время задержки может изменяться от
нескольких сотен наносекунд до нескольких секунд. Это дает
большие возможности инженеру, так как он может заменить
существующие пассивные или активные аналоговые фильтры и
использовать цифровые фильтры там, где применение двоичных
регистров сдвига и логических цепей обошлось бы слишком до-
рого. Использование ПЗС для корреляции сигналов или для
фурье-анализа может привести к уменьшению размеров, стои-
мости и потребляемой мощности в оборудовании, выполняю-
щем эти функции. Такие же преимущества могут быть получены
в адаптивных самонастраивающихся системах и во многих дру-
гих устройствах.
Разработчики ПЗС концентрировали до сих пор свои усилия
на совершенствовании и упрощении приборов и должны будут
продолжать работать в этом направлении. Для того чтобы удов-
летворить самым высоким требованиям, необходимо строго конт-
ролировать отношение сигнал/шум и линейность характеристик.
Желательно также размещать большую часть периферийных
цепей непосредственно на кристалле. Совершенная линия за-
держки на ППЗ должна в одном кристалле содержать все гене-
раторы, в том числе и генераторы тактового питания каждой
фазы, чтобы прибор мог работать с единственным входом
302
Глава 9
синхронизации и одной точкой подключения питания. Развитие
этой тенденции приведет к большим интегральным функцио-
нальным схемам для обработки сигналов, включающим усили-
тели, коммутаторы аналоговых сигналов, генераторы импульсов
и логические цепи. Для некоторых аналоговых систем проведены
оценочные расчеты уменьшения стоимости и потребляемой мощ-
ности. Результаты показали выигрыш приблизительно на два по-
рядка по сравнению с существующими способами реализации
систем.
При обсуждении процессов обработки сигналов в ППЗ мы
сосредоточили внимание на приборах, в которых каналы пере-
носа заряда являются основными элементами конструкции. Од-
нако были разработаны и другие приборы, такие, как корреля-
тор на поверхностных зарядах (гл. 6, разд. 5), в которых пере-
нос заряда осуществляется в отдельных ячейках с ограничен-
ным числом электродов, и такие, как постоянное аналоговое
ЗУ (гл. 6, разд. 7), где каналы переноса служат просто считы-
вающими регистрами для большого массива предварительно
запрограммированных МОП-конденсаторов. Эта тенденция гиб-
ридизации приборов с переносом заряда и других МОП ИС
будет, вероятно, развиваться и приведет к интегральным функ-
циональным схемам высокой сложности. Назовем две идеи, ко-
торые могут быть воплощены в таком гибридном устройстве:
аналого-цифровое преобразование, выполняемое полностью МОП
ИС с помощью перераспределения заряда [330], и создание гене-
ратора рукописных знаков на одном кристалле [331]. Обе эти
идеи основаны на использовании способов разделения заряда
между двумя МОП-конденсаторами.
5.	ППЗ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ЗУ
Первое ЗУ на ПЗС емкостью 16 К было выпущено промыш-
ленностью в 1975 г. Емкость таких ЗУ в 4 раза больше, чем ем-
кость существующих известных ЗУ с произвольной выборкой на
одном кристалле (емкость 4 К). Размеры кристалла ЗУ на ПЗС
те же, но время выборки существенно больше. Вероятно, что
емкость выпускаемых промышленностью ЗУ на ПЗС будет бы-
стро увеличиваться по мере накопления опыта и появление ЗУ
емкостью 64 К представляется возможным в течение ближай-
ших 1—2 лет1). Нельзя забывать, что уже созданы матричные
!) ЗУ на ПЗС емкостью 65 К было разработано в 1976 г. (см. работы:
Альтман, Маттер, Новые достижения в области полупроводниковых ЗУ, Элек-
троника, 49, № 4, 1976; Радиоэлектроника за рубежом, № 9, стр. 18—19
(1976)). — Прим. ред. ,
Заключение
303
приемники изображения, содержащие четверть миллиона анало-
говых элементов. В настоящее время предпринимаются попытки
разработать периферийные цепи для ЗУ на ПЗС, которые пре-
вратят эти схемы в законченные экономичные и недорогие мо-
дульные блоки, легко совмещаемые с другими логическими или
адресными цепями.
ППЗ составляют конкуренцию таким типам цифровых ЗУ
с последовательной выборкой, как регистры сдвига, ЗУ на ци-
линдрических магнитных доменах и дисковые накопители с бы-
стрым доступом. Когда технология ППЗ достигнет наивысшего
уровня, ЗУ на ПЗС найдут свое место между самыми медлен-
ными ЗУ с произвольной выборкой и самыми скоростными ди-
сками. ЗУ на ПЗС обладают высокой степенью надежности и
устойчивостью к действию перегрузок, поэтому они заменят ди-
сковые ЗУ большого объема в бортовом оборудовании самоле-
тов.
В других применениях важной характеристикой ЗУ становит-
ся стоимость. В качестве удобной основы для сопоставления но-
вой технологии с установившейся сравнивалась стоимость ЗУ на
ПЗС и стоимость МОП-транзисторного ЗУ с произвольной вы-
боркой.
Исследователи единодушны в том, что ЗУ на ПЗС с време-
нем доступа около 500 мкс будет дешевле в 4—6 раз из-за бо-
лее высокой плотности упаковки и меньшего объема периферий-
ных цепей. При стоимости ниже 0,1 цента на бит ЗУ на ПЗС
могут заменить также магнитные барабаны и дисковые ЗУ с
несколькими головками. Если сравнить ЗУ на ПЗС с ЗУ на ци-
линдрических магнитных доменах, то плотность ячеек памяти
в обоих типах ЗУ примерно одинакова, так как они изготавли-
ваются с помощью одних и тех же фотолитографических про-
цессов. Однако ЗУ на ПЗС имеют преимущества, связанные с
тем, что все периферийные цепи могут быть размещены на од-
ном кристалле с ЗУ, — проще установка прибора в корпус и
выше быстродействие. Как и все новые направления техники,
ПЗС могут создать свой собственный новый рынок. Примерами
этого являются ЗУ с последовательной организацией и ем-
костью около 1 Мбит для использования с микропроцессорами,
где не требуется быстродействие ЗУ с произвольной выборкой
и «накладные расходы» на обеспечение вращения диска были
бы слишком велики. Другой пример — ЗУ для схем обработки
цифровых сигналов.
Хотя возможности ЗУ на ПЗС и ЗУ с произвольной выбор-
кой примерно одинаковы, последние развиваются быстро, так;
как усовершенствование происходит непрерывно. Даже иеполь--
зование тех же самых основных физических процессов, которые
лежат в основе действия ППЗ, может привести к решениям,,
304
Глава 9
улучшающим ЗУ с произвольной выборкой. Одним из примеров
такого «перекрестного оплодотворения» идей служит метод уве-
личения чувствительности при детектировании заряда на раз-
рядной шине. При снятии потенциала с этой шины барьер под
ней исчезает, и сигнальный заряд переносится во много раз
меньшую по размерам потенциальную яму, в результате чего
можно получить значительное усиление напряжения [130].
Наконец, есть две перспективные области возможного раз-
вития ППЗ. Одна из них — возможное использование много-
уровневой памяти, которая могла бы значительно увеличить ем-
кость ЗУ на ППЗ и плотность записи в нем и, таким образом,
открыть новые области применения (например, запоминание
кадра в телевизионных дисплеях и некоторые преобразования
с применением очень дешевых ЗУ). Другая — сочетание МНОП-
ячеек памяти с каналами переноса заряда для создания энерго-
независимых ЗУ с высокой плотностью записи информации.
6.	ДВУМЕРНЫЕ И ЛОГИЧЕСКИЕ МАССИВЫ
Ко времени написания этой книги двумерные массивы об-
суждались лишь на уровне идеи, а реальные приборы еще не
были построены. Одним из практических применений таких мас-
сивов, которое было предложено в работе [312], является пере-
ключение с разделением во времени, где особенно важны ма-
лые размеры приборов и низкая потребляемая мощность.
Из логических массивов, описанных в гл. 8, построены и
испытаны в лаборатории основные ячейки, реализующие функ-
ции И, ИЛИ и пороговые функции. Из схем более высокой сте-
пени интеграции уже разработан полный сумматор, и пройдет
немного времени, как несколько этих схем будут объединены
в одном кристалле для создания умножителя. Дальнейшее бу-
дет зависеть главным образом от стоимости прибора, простоты
и надежности его функционирования, а также от того, какую
роль эти приборы будут играть в будущих системах.
7.	ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Любая книга, посвященная быстро развивающемуся направ-
лению техники, подвергается опасности устареть прежде, чем
она будет опубликована. Поэтому мы добавляем несколько
ссылок на работы, которые выйдут в свет в скором будущем,
чтобы заинтересованные читатели могли следить за дальнейшим
развитием исследований и разработок ППЗ: работы [332, 333]
посвящены применениям ПЗС для преобразования изображений
в видеосигнал и для обработки сигналов; работы [334—337] по-
священы другим возможным применениям ППЗ.
Заключение	305
В заключение можно сказать, что ПЗС и другие ППЗ уже
нашли достаточно широкое распространение, что указанные
выше проблемы проектирования и получения приборов с тре-
буемыми характеристиками могут быть решены и разработаны
технологические методы, пригодные для изготовления приборов
многих назначений. В настоящее время разработчики ППЗ и
системотехники должны стремиться создать новые и полезные
функциональные приборы. Ответственность за обеспечение ста-
бильными приборами, снабженными хорошей документацией,
лежит на коллективах технологов и исследователей. Создание
таких приборов убедит инженеров-системотехников в богатых
функциональных возможностях и надежности ППЗ. Темпы раз-
вития технологии ПЗС и перспективы их широкого применения
зависят от того, в какой мере успешными окажутся эти усилия.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Zworykin V. К., The leonoscope, Pros. IRE, 22, 16—32 (1934).
2.	Wiener N., In Cybernetics, Wiley, N. Y., 1948, p. 144.
3.	Janssen J. M. L, Discontinuous Low Frequency Delay Line with Conti-
nuously Variable Delay, Nature, 169, 148—149 (1952).
4.	Hannan W. J., Schanne J. F., Waywood D. J., Automatic Correction of Ti-
ming Errors in Magnetic Tape Recorder, IEEE Trans, on Military Electro-
nics, 9, 246—254 (1965).
5.	Krause G., Analog Speicherkette: Eine Neuartige Schaltung zum Speichern
und Verzoegern von Signalen, Electronics Lett, 3, 544—546 (1967).
6.	Sangster F L. J., Teer K., Bucket Brigade Electronic — New Possibilities
for Delay Time-Axis Conversion and Scanning, IEEE J. of Solid-State
Circuits, SC-4, 131—136 (1969).
7.	Sangster F. L. J., The Bucket Brigade Delay Line. A Shift Register for
Analogue Signals, Philips Tech. Review, 31, 97—110 (1970).
8.	Sangster F. L. J., Integrated Bucket Brigade Delay Line Using MOS Te-
trodes, Philips Tech. Review, 31, 266 (1970).
9.	Boyle W. S., Smith G. E., Charge Coupled Semiconductor Devises, BSTJ,
49, 587—593 (1970).
10.	Bobeck A. H., Properties and Device Applications of Magnetic Domains in
Orthoferrities, BSTJ, 46, 1901—1925 (1967).
11.	Kahng D., Nicollian E. H., Monolithic Semiconductor Apparatus Adapted
for Sequential Charge Transfer, Патент США 3651349 (1972).
12.	Engeler W. E., Tiemann J. J., Baertsch R. D., Surface Charge Transport
in Silicon, Appt. Phys. Lett., 17, 469—472 (1970).
13.	Panousis P. T., A TRIM Bipolar Charge Storage Memory, IEDM, Washing-
ton, D. C., Abstract 2.4 (1970).
14.	Wahlstrom S. E., Single Rail MOSFET Memory with Capacitive Storage,
Патент США 3533089 (1970).
15.	Keyes R. W., Landauer R., Minimum Energy Dissipation in Logic, IBM].,
14, 152—157 (1970).
16.	Amelio G. F., Tompsett M. F., Smith G. E., Experimental Verification of
the Charge Coupled Device Concept, BSTJ., 49, 593—600 (1970).
17.	Tompsett M. F., Amelio G. F., Smith G. E., Charge Coupled 8-Bit Shift
Register, Appl. Phys. Lett., 17, 111—115 (1970).
18.	Sequin С. H., Sealer D. A., Bertram W. J., Tompsett M. F., Buckley R. R.,
Shankoff T. A., McNamara W. K-, A Charge Coupled Area Image Sensor
and Frame Store, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-20, 244—252
(1973).
19.	Warner R. M., Fordemwalt J. N. (eds.), Integrated Circuits Design Prin-
ciples and Fabrication, Motorola Series in Solid-State Electronics, McGraw-
Hill, N. Y., 1965.
20.	Penney W. M., Lau L. (eds.), MOS Integrated Circuits, Microelectronic
Series, Van Nostrand, N. Y., 1972; имеется русский перевод: Интегральные
схемы на МДП-приборах, перевод с англ, под ред. А. Н. Кармазинского,
изд-во «Мир», М., 1975.
Литература
307
21.	Lindner R., Semiconductor Surface Varactor, BSTJ, 41, 803—831 (1962).
22.	Sze S. M., In: Physics of Semiconductor Devices, Wiley, N. Y., 1969, pp. 57—
58, pp. 340—362, pp. 425—504, pp. 505—555, pp. 515—524.
23.	Macdonald J. R., Distribution of Space Charge in Homogeneous Metal
Oxide Films and Semiconductors, /. Chem. Phys., 40, 3735—3737 (1964).
24.	Walden R. H., Krambeck R. H., Strain R. J., McKenna J., Schryer N. L.,
Smith G. E., Buried Channel Charge Coupled Device, BSTJ, 51, 1635—
1640 (1972).
25.	Kim C-К., Early J. M., Amelio G. F., Buried Channel Charge Coupled De*
vices, NEREM, Boston, Record of Tech. Papers, Part 1, 161—164 (1972).
26.	Esser L. J. M.. Reristaltic Charge Coupled Device: A New Type of Charge
Transfer Device, Electronics Lett., 8, 620—621 (1972).
27.	Kahng D., Charge Coupled Devices, Патент США 3700932 (1972).
28	Kurz В., Barron M. B., Bulter W. J., New Monolithic High Speed Analog
Delay Lines, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-7, 300—302 (1972).
29	Barron M. B., Butler W. J., JFET Bucket Brigade Circuit: Some Recent
Experimental Results, Electronics Lett., 9, 603—604 (1973).
30	Berglund C. N., Analog Performance Limitations of Charge Transfer Dy-
namic Shift Registers, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-6,391—394 (1971).
31.	Berglund C. N., Strain R. J., Fabrication and Performance Considerations
of Charge Transfer Dynamic Shift Registers, BSTJ, 51, 655—704 (1972).
32.	Tompsett M. F., Amelio G. F., Bertram W. J., Buckley R. R., McNama-
ra W. J., Mikkelsen J. C., Sealer D. A., Charge Coupled Imaging Devices:
Experimental Results, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-18, 992—996
(1971).
33	Amelio G. F., Computer Modelling of Charge Coupled Device Characteris-
tics, BSTJ, 51, 705—730 (1972).
34.	Suzuki N., Yanai H., Computer Analysis of Surface Charge Transport Bet-
ween Transfer Electrodes in a Charge Coupled Device, IEEE Trans, on
Electron Devices, ED-21, 73—83 (1974).
35	Yun В. H., Patrin N. A., Moore A. J., Tzeng J. S., Slow Start Phenomenon
in Semiconductor CCD with Gaps Between Phase Electrodes, IEDM, Wa-
shington, D. C. (1971).
36	Browne V. A., Perkins K. D., Buried Channel CCD’s with Sub-Micron Elec-
trode Spacings, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 100—105 (1974).
37.	Berglund C. N., Powell R. J., Nicollian E. H., Clemens J. T., Two-Phase
Stepped Oxide CCD Shift Register Using Undercut Isolation, Appl. Phys.
Lett., 20, 413—414 (1972).
38.	Sequin С. H., Experimental Investigation of a Linear 500-Element 3-Phase
Charge Coupled Device, BSTJ, 53, 581—610 (1974).
39	Kim C-К., Snow E. H., p-Channel Charge Coupled Devices with Resistive
Gate Structure, Appl. Phys. Lett., 20, 514—515 (1972).
40.	Collins D. R., Barton J. B., Brodersen R. W., Rhines W. C, Shortes S. R.,
Tasch A. F., Jr., Performance Characteristics of CCD Shift Registers Fab-
ricated Using Aluminium — Anodized Aluminium — Aluminium Double Le-
vel Metallization, CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 79—82 (1973).
41.	Collins D. R., Shortes S. R., McMahon W. R., Bracken R. C., Penn T. C.,
Charge Coupled Devices Fabricated Using Aluminium — Anodized Alumi-
nium— Aluminium Double Level Metallization, J. Electrochem. Soc., 120,
521—526 (1973).
42.	Hartsell G. A., Kimetz A. R., Design and Performance of a Three-Phase
Double Level Metal 160 X 100 Element CCD Image, IEDM, Washington,
D. C., Tech. Digest., 59—62 (1974).
43	Bertram W. J., Mohsen A. M., Morris F. J., Sealer D. A., Sequin С. H.,
Tompsett M. F., A Three Level Metallization Three-Phase CCD, IEEE
Trans, on Electron Devices, ED-21, 758—767 (1974).
308
Литература
44.	S6quin С. Н., Sealer D. A., Bertram W. J., Buckley R. R., Morric F. J.,
Shankoff T. A., Tompsett M. F., Charge Coupled Image Sensing Devices
Using Three Levels of Polysilicon, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech.
Pap., 24—25 (1974).
45.	Sequin С. H., Morris F. J., Shankoff T. A., Tompsett M. F., Zimany E. J.,
Charge Coupled Area Image Sensor Using Three Levels of Polysilicon,
IEEE Trans, on Electron Devices, ED-21, 712—720 (1974).
46.	Engeler W. E., Tiemann J. J., Baertsch R. D., The Surface-Charge Transis-
tor, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-18, 1125—1136 (1971).
47.	Kosonocky W. F., Carnes J. E., Charge Coupled Digital Circuits, IEEE J.
of Solid-State Circuits, SC-6, 314—322 (1971).
48.	Kosonocky W. F., Carnes J. E., Two-Phase Charge Coupled Devices with
Overlapping Polysilicon and Aluminium Gates, RCA Review, 34, 164—202
(1973).
49.	Kosonocky W. F., Carnes J. E., Design and Performance of Two-Phase
Charge Coupled Devices with Overlapping Polysilicon and Aluminium Ga-
tes, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 123—125 (1973).
50.	Theunissen M. J. J., Esser L. J. M., PCCD Technology and Perfomance,
CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 106—113 (1974).
51.	Erb D. M., Kotyczka W., Su S. C., Wang C., Clough G., An Overlapping
Electrode Buried Channel CCD, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest,
24—26 (1973).
52.	Kim C-К., Two-Phase Charge Coupled Linear Imaging Devices with Self-
Aligned Barrier, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest., 55—58
(1974).
53.	Tompsett M. F., Kosicki В. B., Kahng D., Measurements of Transfer Ineffi-
ciency of 250-Element Undercut-Isolated Charge Coupled Devices, BSTJ, 52,
1—7 (1973).
54.	Gelberger P. P., Salama С. A. T., Moat-Etched Two-Phase Charge Coupled
Devices, Solid-State Electronics, 17, 301—305 (1974).
55.	Hughes A. J., Eccleston W., Stuart R. A., A CCD on Gallium Arsenide,
CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 270—273 (1974).
56.	Baker I. M. Bcynon J. D. E., Charge Coupled Devices with Submicron
Electrode Separations, Electronics Lett., 9, 48—49 (1973).
57.	Schroder D. K., A Two-Phase Germanium Charge Coupled Device, Appl.
Phys. Lett., 25, 747—749 (1974).
58.	Krambeck R. H., Walden R. H.s Pickar K. A., Implanted-Barrier Two-Phase
Charge Coupled Device, Appl. Phys. Lett., 19, 520—522 (1971).
59.	Krambeck R. H., Walden R. H., Pickar K. A., A Doped Surface Two-Phase
CCD, BSTJ, 51, 1849—1866 (1972).
60.	Frohman-Bentchkowsky D., Lenzlinger M., Charge Transport and Storage
in Metal — Nitride — Oxide — Silicon Structures, J. of Appl. Phys., 40,
3307—3319 (1969).
61.	Salama С. A. T., Two-Phase M. N. O. S. Charge Coupled Device, Electro-
nics Lett., 8, 21—22 (1972).
62.	Krambeck R. H., Strain R. J., Smith G. E., Pickar K. A., Conductively Con-
nected Charge Coupled Device, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-21,
70—72 (1974).
63.	Tchon W. E., Huang J. S. T., Staggered Oxide C4D Structure with Clocked
Source Repeater, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 27—28 (1973).
64.	Parks С. M., Salama С. A. T., VMOS Conductively Coupled Charge Coup-
led Device, Electronics Lett., 9, 593—594 (1973).
65.	Berglund C. N., Thornber К. K-, Incomplete Transfer in Charge Transfer
Devices, IEEE J. of Solid-Stale Circuits, SC-8, 108—116 (1973).
66.	Berglund C. N., Boll H. J., Performance Limitations of the IGFET Bucket
Brigade Shift Register, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-19, 852—860
(1972).
'Литература
309
67.	Berglund С. N., Thornber К. К., A Fundamental Comparison of Incomp-
lete Charge Transfer in Charge Transfer Devices, BSTJ, 52, 147—182
(1973).
68.	Bower R. W., Zimmerman T. A., Mohsen A. M., A High Density Overlap-
ping Gate Charge Coupled Device Array, IEDM, Washington, D. C.,
Tech. Digest, 30—32 (1973).
69.	Bower R. W., Zimmerman T. A., Mohsen A. M., The Two-Phase Offset Gate
CCD, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-22, 70—72 (1975).
70.	Herriott D. R„ Collier R. J., Alles D. S., Stafford J. W., EBES, A Practi-
cal Electron Lithographic System, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest,
21—26 (1974).
71.	Dennard R. H.s Gaensslen F. H., Hwa-Nien Y., Rideout V. L., Passous E.,
LeBlanc A., Design of Ion-Implanted MOSFET’s with Very Small Physical
Dimensions, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 256—268 (1974).
72.	Melen R. D., Meindl J. D., One-Phase CCD: A New Approach to Charge
Coupled Device Clocking, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-7, 92—93
(1972).
73.	Amelio G. F., A Little «Bit» on Charge Coupled Devices, IEDM, Washing-
ton, D. C., Abstract 1.3 (1971).
74.	Mohsen A. M., Retajczyk T. F., Sequin С. H., Offset Mask Charge Coup-
led Devices for Memory Applications, IEDM, Washington, D. C., late news
pap. 6.8 (1974).
75.	Gelberger P. P., Salama С. A. T., A Uniphase Charge Coupled Device,
Proc IFFF 58 721________722 H 9721
76.	Collins D. R., Barton J. В , Buss D. D., Rmetz A. R., Schroeder J. E., CCD
Memory Oprions, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Papers, 136—137
(1973).
77.	Takemoto L, Ashikawa M., Kubo M., Ohba S., A Charge Transfer Device
with Self Aligned Electrodes, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 473—
476 (1973).
78.	Appels J. A., Katter H., Kodi E., Some Problems of iMOS Technology, Phi-
lips Tech. Review, 31, 225—236 (1970).
79.	Appels J. A., Paffen M. M., Local Oxidation of Silicon. New Technological
Aspects, Phiips Res. Rpts., 26, 157—165 (1971).
80.	Esser L. J. M., Collet M. G., van Santen J. G., The Peristaltic Charge Coup-
led Device, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 17—20 (1973).
81.	Esser L. J. M. The Peristaltic Charge Coupled Device for High Speed
Charge Transfer, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 28—29 (1974).
82.	Schuermeyer F. L., Belt R. A., Young C. R., Blasingame J. M., New Struc-
ture for Charge Coupled Devices, Proc. IEEE, 60, 1444—1445 (1972).
83.	Mohsen A. M., Bower R., McGill T. C., Zimmermann T., Overlapping-Gate
Buried Channel Charge Coupled Devices, Electronics Lett., 9, 396—398
(1973).
84.	Gunsagar К. C., Kim С. K-, Philips J. D., Performance and Operation of
Baried Channel Charge Coupled Devices, IEDM, Washington, D. C., Tech.
Digest, 21—23 (1973).
85.	McKenna J., Schryer N. L., The Potential in a Charge Coupled Device with
No Mobile Minority Carriers and Zero Plate Separation, BSTJ, 52, 669—
696 (1973).
86.	McKenna J., Schryer N. L., The Potential in a Charge Coupled Device with
no Mobile Minority Carriers, BSTJ, 52, 1765—1793 (1973).
87.	Shimizu S., Iwamatsu S., Ono M., Charge Coupled Device with Buried
Channels Under Electrode Taps, Appl. Phys. Lett., 22, 286—287 (1973).
88.	Kim C.-К., Dyck R. H., Low Light Level Imaging with Buried Channel
Charge Coupled Devices, Proc. IEEE, 61, 1146—1147 (1973).
89.	Walsh L., Dyck R. H., A. New Charge Coupled Area Imaging Device, CCD
Appl. Conf., San Diego, Proc., 21—22 (1973).
310
Литература
90.	Tasch A F., Brodersen R. W., Buss D. D., Bate R. T., Dark Current and
Storage Time Considerations in Charge Coupled Devices, CCD Appl. Conf.,
San Diego, Proc., 179—188 (1973).
91.	Engeler W. E., Tiemann J. J., Baertsch R. D., Surface Charge Transport in
a Multielement Charge Transfer Structure, J. of Appl. Phus., 43, 2277—
2285 (1972).
92.	Sequin С. H., Mohsen A. M., Linearity of Electrical Charge Injection into
Charge Coupled Devices, IEDM, Washington, D. C.5 Tech. Digest, 229—
232 (1974).
93	Carnes J. E., Kosonocky W. F., Levine P. A., Measurements of Noise in
Charge Coupled Devices, RCA Review, 34, 553—565 (1973).
94.	Tompsett M. F., Zimany E. J., Use of Charge Coupled Devices for Delaying
Analog Signals, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-8, 151—157 (1973).
95.	Emmons S. P., Buss D. D., Noise Measurements on the Floating Diffu-
sion Input for Charge Coupled Devices, J. of Appl. Phys., 45, 5303—5306
(1974).
96.	Tompsett M. F., Surface Potential Equilibration Method of Setting Charge
in Charge Coupled Devices, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-22
(1975).
97.	Mohsen A. M., Tompsett M. F., Sequin С. H., Noise Measurements in Char-
ge Coupled Devices, IEDM, Washington, D. C., Tech., Digest, 236—239
(1974).
98.	Mohsen A. M., Tompsett M. F., Sequin С. H., Noise Measurements in Char-
ge Coupled Devices, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-22, № 5, 209—
218 (1975).
99.	Sequin С H., Mohsen A. M., Linearity of Electrical Charge Injection into
Charge Coupled Devices, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-10 (1975).
100.	Emmons S. P., Tasch A. F., Caywood J. M., A Low-Noise CCD Input with
Reduced Sensitivity to Threshold Voltage, IEDM, Washington, D. C., Tech.
Digest, 233—235 (1974).
101.	White M. H., Lampe D. R., Blaha F. C., Mack I. A., Characterization of Sur-
face Channel CCD Image Arrays at Low Light Levels, IEEE J. of Solid-
State Circuits, SC-9, 1—13 (1974).
102.	Wen D. D., Salsbury P. J., Analysis and Design of a Single-Stage Floa-
ting Gate Amplifier, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 154—155
(1973).
103.	Wen D. D., Design and Operation of a Floating Gate Amplifier, IEEE J.
of Solid-State Circuits, SC-9, 410—414 (1974).
104.	Wen D. D., Early J. M., Kim C-К., Amelio G. F., A Distributed Floating
Gate Amplifier in Charge Coupled Devices, ISSCC, Philadelphia, Digest of
Tech. Pap., 24—25 (1975).
105.	Amelio G. F., The Impact of Large CCD Image Sensing Area Arrays,
CCD74 Int. Conf., Edinburgh. Proc., 133—152 (1974).
106.	Tompsett M. F., A Simple Charge Regenerator for Use with Charge Trans-
fer Devices and the Design of Functional Logic Arrays, IEEE J. of Solid-
State Circuits, SC-7, 237—242 (1972).
107.	Engeler W. E., Tiemann J. J., Baertsch R. D., A Memory System Based on
Surface Charge Transport, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-18, 1125—
1136 (1971).
108.	Engeler W E., Tiemann J. J., Baertsch R. D., A Memory System Based on
Surface Charge Transport, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-6, 306—
313 (1971).
109.	Vogl N. G., Harroun T. V., Operating Memory System Using Charge Coup-
led Devices, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 246—247 (1972).
110.	Tiemann J. J., Baertsch R. D., Engeler W. E., Brown D. M., A Surface
Charge Shift Register and Digital Refresh, IEEE J. of Solid-State Circuits,
SC-8, 146—151 (1973).
Литература
311
111.	Weimer P. К., Pike W. S., Shallcross F. V., Kovac M. G., Video Processing
in Charge Transfer Image Sensors by Recycling of Signals Through the
Sensor, RCA Review, 35, 341—354 (1974).
112.	Levine P. A., Measurement of CCD Transfer Efficiency by Use of Feedback
to Increase the Effective Number of Transfers, IEEE J. of Solid-State Cir-
cuits, SC-8, 104—108 (1973).
113.	Lancaster A. L., Hartman J. M., A Recirculating CCD with Novel Input
and Output Structures, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 108—111
(1974).
114.	Shott J., Melen R. D., The Razorback CCD. A High Performance Parallel
Input Delay Line Architecture, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap.,
150—151 (1975).
115.	Brugler J. S., Jespers P. G., Charge Pumping in MOS Devices, IEEE
Trans, on Electron Devices, ED-16, 297—302 (1969).
116.	Mohsen A. M., McGill T. C., Anthony M., Mead C. A., Push Clocks: A New
Approach to Charge Coupled Devices Clocking, Appl. Phys. Lett., 22, 172—
175 (1973).
117.	Kent W. H., Charge Distribution in Buried Channel Charge Coupled De-
vices, BSTJ, 52, 1009—1024 (1973).
118.	Daimon Y., Mohsen A. M., McGill T. C., Charge Transfer in Buried Chan-
nel Charge Coupled Devices, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap.,
146—147 (1974).
119.	Mohsen A. M., Tompsett M. F., The Effects of Bulk Traps on the Perfor-
mance of Bulk Channel Charge Coupled Devices, IEEE Trans, on Electron
Devices, ED-21, 701—712 (1974).
120.	El-Sissi H., Cobbold R. S. C., Buried Channel CCD Models Based on a One
Dimensional Analysis, Electronics Lett., 10, 198—199 (1974).
121.	El-Sissi H., Cobbold R. S. C., One Dimensional Study of Buried Channel
Charge Coupled Devices, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-21, 437—
447 (1974).
122.	Joyce W. B., Bertram W. J., Linearized Dispersion Relation and Green’s
Function for Discrete Charge Transfer Devices with Incomplete Transfer,
BSTJ, 50, 1741—1759 (1971).
123.	Thornber К. K-, Operational Limitations of Charge Transfer Devices, BSTJ,
52, 1453—1482 (1973).
124.	Vanstone G. F., Roberts J. B. G., Long A. E., The Measurement of the
Charge Residual for CCD Transfer Using Impulse and Frequency Respon-
ses, Solid-State Electronics, 17, 889—895 (1974).
125.	Buss D. D., Bailey W. H., Holmes J. D., Hite L. R., Charge Transfer Devi-
ces: A New Semiconductor Technology Applied to Communication Systems,
submitted to IEEE Transactions on Communications (1975).
126.	Bracewell R., In: The Fourier Transform and Its Applications, McGraw-
Hill, N. Y., 1965, pp. 257—262.
127.	Abramowitz M., Stegun I. A., In: Handbook of Mathematical Func-
tions, National Bureau of Standards, Washington, D. C., 1965, pp. 374—
378.
128.	Kim C-К., Lenzlinger M., Charge Transfer in Charge Coupled Devices, J. of
Appl. Phys., 42, 3586—3594 (1971).
129.	Carnes J. E., Kosonocky W. F., Ramberg E. G., Free Charge Transfer in
Charge Coupled Devices, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-19, 798—
808 (1972).
130.	Engeler W. E., Tiemann J. J., Baertsch R. D., A Surface Charge Random
Access Memory System, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-7, 330—335
(1972).
131.	Lee H. S., Heller L. G., Charge Control Method of Charge Coupled Device
Transfer Analysis, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-19, 1270—1279
(1972).
312
'Литература
132.	Heller L. G., Lee H. S., Digital Signal Transfer in Charge Transfer Devi-
ces, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 116—125 (1973).
133.	Carnes J. E., Kosonocky W. F., Noise Sources in Charge Coupled Devices,
RCA Review, 33, 327—343 (1972).
134.	Mohsen A. M, McGill T. C., Mead C. A., Charge Transfer in Overlapping
Gate Charge Coupled Devices, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-8, 191—
207 (1973).
135.	Strain R. J., Schryer N. L., A Non-Linear Diffusion Analysis of Charge
Coupled Device Transfer, BSTJ, 50, 1721—1740 (1971).
136.	Heller L. G., Chang W. H., Lo A. W., A Model of Charge Transfer in Buc-
ket Brigade and Charge Coupled Devices, IBM J. of Res. and Dev., 16,
184—187 (1972).
137.	Carnes J. E. Kosonocky W. F., Ramberg E. G., Drift-Aiding Fringing Fields
in Charge Coupled Devices, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-6, 322—
326 (1971).
138.	Daimon Y., Mohsen A. M., McGill T. C., Final Stage of the Charge Transfer
Process in Charge Coupled Devices, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-
21, 226—272 (1974).
139.	Mohsen A. M., Retajcyzk T. F., Sequin С. H., Fabrication and Performance
of Offset Mask Charge Coupled Devices, представлено в IEEE Trans, on
Electron Devices (1974).
140.	Brotherton S. D., A Theoretical Analysis of CCD Operation with Square
Clock Pulses, Solid-State Electronics, 17, 341—348 (1974).
141.	McKenna J., Schryer N. L., Walden R. H., Design Considerations for a
Two-Phase, Buried-Channel Charge Coupled Device, BSTJ, 53, 1581 —1597
(1974).
142.	Collet M. G., Vliegenthart A. C., Calculations on Potential and Charge
Distributions in the Peristatic Charge Coupled Device, Philips Res. Reports,
29, 25—44 (1974).
143.	McKenna J., Schryer N. L., On the Accuracy of the Depletion Layer Appro-
ximation for Charge Coupled Devices, BSTJ, 51, 1471—1485 (1972).
144.	Thornber К. K., Incomplete Charge Transfer in IGFET Bucket Brigade
Shift Registers, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-18, 941—950
(1971).
145.	Lewis E. T., Bucket Brigade Shift Register Operation — Exact Correlation
Between Experimental Data and a Computer Model, IEEE J. of Solid-State
Circuits, SC-8,207—221 (1973).
146.	Frey W., Heinle W., A General Method of Calculating the Charge Transfer
Coefficient of MOS Bucket Brigade Devices, Archiv der Electronischen Ue-
bertragung, 28, 181—182 (1974).
147.	Brodersen R. W., Buss D. D., Tasch A. F., Experimental Characterization of
Transfer Efficiency in Charge Coupled Devices, IEEE Trans, on Electron
Devices, ED-22, 40—46 (1975).
148.	Tompsett M. F., The Quantitative Effects of Interface States on the Per-
formance of Charge Coupled Devices, IEDM, Washington, D. C., Abstract
9.1 (1971).
149.	Carnes J. E., Kosonocky W. F., Fast Interface State Losses in Charge Coup-
led Devices, Appl. Phys. Lett., 20, 261—263 (1972).
150.	Strain R. J., Properties of an Idealized Travelling Wave Charge Coup-
led Device, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-19, 1119—1130
(1972).
151.	Tompsett M. F., The Quantitative Effects of Interface States on the Perfor-
mance of Charge Coupled Devices, IEEE Trans on Electron Devices,
ED-20, 45—55 (1973).
152.	Mohsen A. M., Tompsett M. F., The Effects of Bulk Traps on the Perfor-
mance of Bulk Channel Charge Coupled Devices, CCP74 Int. Conf., Edin-
burgh, Proc., 67—74 (1974).
Литература
313
153.	Mohsen А. М., McGill Т. С., Daimon Y., Mead С. A., The Influence of In-
terface States on Incomplete Charge Transfer in Overlapping Gate Charge
Coupled Devices, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-8, 125—138 (1973).
154.	Hall R. N., Electron-Hole Recombination in Germanium, Phys. Rev., 87, 387
(1952).
155.	Shockley W., Read W. T., Statistics of Recombination of Holes and Elec-
trons, Phys. Rev., 87, 835—842 (1952).
156.	Sealer D. A., Sequin С. H., Tompsett M. F., High Resolution Charge Coup-
led Image Sensors, IEEE INTERCON, N. Y., Digest Session 2, pap. 2/1
(1974).
157.	Thornber К. K., Tompsett M. F., Spectral Density of Noise Generated in
Charge Transfer Devices, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-20, 456
(1973).
158.	Thornber К. K., Noise Suppression in Charge Transfer Devices, Proc. IEEE,
60, 1113—1114 (1972).
159.	Thornber К. K., Theory of Noise in Charge Transfer Devices, BSTJ, 53,
1211 — 1262 (1974).
160.	Barbe D. F., Noise and Distortion Considerations in Charge Coupled Devi-
ces, Electronics Lett., 8, 207—208 (1972).
161.	Mohsen A. M., Morris F. J., Measurements on Depletion-Mode Field Effect
Transistors and Buried Channel xWOS Capacitors for the Characterization
of Bulk Channel Charge Coupled Devices, Solid-State Electronics, 407—
416 (1975).
162.	Baldinger E., Franzen W., Amplitude and Time Measurement in Nuclear
Physics, Advances in Electronics and Electron Phys., 8, 255—315 (1956).
163.	Radeka V., Optimum Signal-Processing for Pulse-Amplitude Spectrometry
in the Presence of High Rate Effects and Noise, IEEE Trans. Nuclear Sci-
ence, NS-15, 455—470 (1968).
164.	Miller G. L., Receiver Design of CCD’s and Fibre Opric Communications
Systems, BSTJ (1975).
165.	Radeka V., Trapezoidal Filtering of Signals from Large Germanium Detec-
tors at High Rates, Nuclear Instruments and Methods, 99, 525—539 (1972).
166.	Radeka V., Effect of Baseline Restoration on Signal-to-Noise Ratio in Pul-
se Amplitude Measurements, Review of Sci. Instruments, 38, 1397—1403
(1967).
167.	Van der Ziel A., Thermal Noise in Field-Effect Transistors, Proc. IRE, 50,
1808—1812 (1962).
168.	Amelio G. F., Charge Coupled Devices, Sci. Am., 230, № 8, 22—31 (1974).
169.	Shortes S. R., Chan W. W., Rhines W. C., Barton J. В , Collins D. R., Cha-
racteristics of Thinned Backside-Illuminated Charge Coupled Device Ima-
gers, Appl. Phys. Lett., 24, 565—567 (1974).
170.	Grove A. S., Physics and Technology of Semiconductor Devices, Wiley,
N. Y., 1967.
171.	Ong D. G., Pierret R. F., Thermal Carrier Generation in Charge Coupled
Devices, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-22, 593—602 (1975).
172.	Shankoff T. A., Morris F. J., Charge Coupled Device Processing, Electroche-
mical Society Fall Meeting, N. Y., Abstract 196 (1974).
173.	Weimer P. K., Image Sensors for Solid State Cameras, Advances in Electro-
nics and Electron Phys. (1975).
174.	Weckler G. P., Solid-State Image Sensing with Photodiode Arrays, IEEE
INTERCON, N. Y., Digest., Vol. 6, pap. 1/2 (1973).
175.	Michon G. J., Burke H. K., Charge Injection Imaging, ISSCC, Philadel-
phia, Digest of Tech. Pap., 138—139 (1973).
176.	Michon G. J., Burke H. K., Operational Characteristics of CID Imager,
ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 26—27 (1974).
177.	Horton J. W., Mazza R. V., Dym H., The Scanistor — A Solid-State Image
Scanner, Proc. IEEE, 52, 1513—1528 (1964).
314
Литература
178.	Weckler G. P., Operation of p-n Junction Photodetectors in a Photon
Flux Integrating Mode, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-2, 65—73
(1967).
179.	Weimer P. K., Sadasiv G., Meyer J. E., Jr., Meray-Horvath L., Pike W. S.,
A Self-Scanned Solid-State Image Sensor, Proc. IEEE, 55, 1591—1602
(1967).
180.	Tompsett M. F., Bertram W. J., Sealer D. A., Sequin С. H., Charge-Coup-
ling Improves Its Image. Challenging Video Camera Tubes, Electronics,
46, № 2, 162—168 (1973).
181.	Arnold E., Crowell M. H., Geyer R. D., Mathur D. P., Video Signals and
Switching Transients in Capacitor-Photodiode and Capacitor-Phototransis-
tor Image Sensors, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-18, 1003—1010
(1971).
182.	Kovac	M. G., Weimer	P.	K., Shallcross F. V., Pike	W	S ,	Self-Scanned
Image	Sensors	Based	on	Bucket Brigade Scanning,	IEDM,	Washington,
D. C., Abstract 16.5 (1970).
183.	Weimer P. K.,	Kovac	M.	G., Shallcross F. V., Pike	W.	S.,	Self-Scanned
Image	Sensors	Based	on	Charge Transfer by the Bucket	Brigade Method,
IEEE Trans, on Electron Devices. ED-18, 996—1003 (1971).
184.	Kovac M. G., Pike W. S., Shallcross F. V., Weimer P. K., Solid-State Ima-
ging Emerges from Charge Transport, Electronics, 45, 72—77 (1972).
185.	Bertram W. J., Sealer D. A., Sequin С. H., Tompsett M. F., Buckley R. R.,
Recent Advances in Charge Coupled Imaging Devices, IEEE INTERCON,
N. Y., Digest, 291—293 (1972).
186.	Weimer P. K-, Pike W. S., Kovac M. G., Shallcross F. V., The Design and
Operation of Charge Coupled Image Sensors, ISSCC, Philadelphia, Digest
of Tech. Pap., 132—133 (1973).
187.	Kovac M. G., Shallcross F. V., Pike W. S., Weimer P. K., Design, Fabrica-
tion and Performance of a 128 X 160 Element Charge Coupled Image Sen-
sor, CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 37—42 (1973).
188.	Rodgers R. L., Charge Coupled Images for 525-Line Television, IEEE IN-
TERCON, N. Y., Digest, Session 2, pap. 2/3 (1974).
189.	Rodgers R. L., A 512 X 320 Element Silicon Imaging Device, ISSCC, Phi-
ladelphia, Digest of Tech. Pap., 188—189 (1975).
190.	Amelio G. F., Physics and Applications of Charge Coupled Devices, IEEE
INTERCON, N. Y., Digest, Vol. 6, pap 1/3 (1973).
191.	Solomon A. L., Parallel-Transfer-Register Charge Coupled Imaging Devi-
ces, IEEE INTERCON, N. Y., Digest, Session 2, pap. 2/2 (1974).
192.	Sequin С. H., Interlacing in Charge Coupled Imaging Devices, IEEE Trans,
on Electron Devices, ED-20, 535—541 (1973).
193.	Cagle W. B., Stokes R. R., Wright B. A., The RICTUREPHONE System
2C Video Telephone Station Set, BSTJ, 50, 271—312 (1971).
194.	Dyck R. FL, Jack M. D., Low Light Level Performance of a Charge Coup-
led Area Imaging Device, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 154—161
(1974).
195.	Jespers P., Millet J. M., A Three-Terminal Charge-Injection Device, ISSCC,
Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 28—29 (1975).
196.	Michon G. J., Burke H. K., Recent Developments in CID Imaging, Symp.
on CCD Tech, for Sci. Imaging Applications, Pasadena (1975).
197.	de Lang H., Bouwhuis G., Colour Separation in Colour Television Cameras,
Philiphs Tech. Rev., 24, 263—298 (1963).
198.	Nobutoki S., Nagahara S., Takagi T., A Color Separating Filter Integrated
Vidicon for Frequency Multiplier System Single Pickup Tube Color Tele-
vision Camera, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-18, 1094—1100
(1971).
199.	Pritchard D. H., Stripe-Color-Encode Single-Tube Color Television Camera
Systems, RCA Review, 34, 217—279 (1973).
'Литература
815
200.	Barbe D. F., White M. H., Tradeoff Analysis for CCD Area Imagers: Front-
side Illuminated Interline Transfer vs. Backside Illuminated Frame Transfer,
CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 13—20 (1973).
201.	Campana S. B., Barbe D. F., Tradeoffs Between Aliasing and MTF, CCD74
Int. Conf., Edinburgh, Proc., 168—176 (1974).
202.	Dash W. C., Newman R., Intrinsic Optical Absoptrion in Single-Crystal
Germanium and Silicon at 77 °K and 300 °K, Phys. Review, 99, 1151—1155
(1955).
203.	Crowell №.. H., Labuda E. F., The Silicon Diode Array Camera Tube, BSTJ,
48, 1481 — 1528 (1969).
204.	Kell R. D., Bedford A. V., Fredendall G. L., A Determination of Optimum
Number of Lines in a Television System, RCA Review, 5, 8—30
(1940).
205.	Baldwin №. W., The Subjective Sharpness of Simulated Television Ima-
ges, BSTJ, 19, 563—586 (1940).
206.	Sequin С. H., Blooming Suppression in Charge Coupled Area Imaging De-
vices, BSTJ, 51, 1923—1926 (1972).
207.	Sequin С. H., Shankoff T. A., Sealer Г. A., Measurements on a Charge
Coupled Area Image Sensor with Blooming Suppression, IEEE Trans, on
Electron Devices, ED-21, 331—341 (1974).
208.	Campana S. B., Charge Coupled Devices for Low Light Level Imaging,
CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 235—246 (1973).
209.	Stupp E. H., Singer B., Kostelec J., Staneck W., Crowell M. H., A Silicon
Diode Array Camera Tube with Electronically Controllable Responsivity,
IEEE INTERCON, N. Y., Digest, 290—291 (1972).
210.	Rodgers R. L., Henry W. N., Nonblooming and Other Advances in Silicon
Target Camera Tube Technology, IEDM, Washington, D. C., Abstract 22.2
(1972).
211.	Singer В. M., Kostelec J., Theory, Design and Performance of Low-Bloo-
ming Silicon Diode Array Imaging Tagets, IEEE Trans, on Electron De-
vices, ED-21, 84—89 (1974).
212.	Kosonocky W. F., Carnes J. E., Kovac M. G., Levine P., Shallcross F. V.,
Rodgers R. L., Control of Blooming in Charge Coupled Imagers, RCA Re-
view, 35, 3—24 (1974).
213	Hofstein S. R., A Silicon Vidicon Target with Electronically Variable Light
Sensitivity and Spectral Response, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-
15, 1018—1023 (1968).
214.	Melen R. D., Meindl J. D., A Transparent Electrode CCD Image Sensor for
a Reading Aid for the Blind, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 41—
49 (1974).
215.	Brown D. M., Ghezzo M., Garfinkel M., Transparent Metal Oxide Electrode
CID Imager Array, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 34—35
(1975).
216.	Rose A., The Sensitivity Performance of the Human Eye on an Absolute
Scale, J. Opt. Soc. Amer., 38, 196—208 (1948).
217.	Carnes J. E., Kosonocky W. F., Sensitivity and Resolution of Charge
Coupled Imagers at Low Light Levels, RCA Review, 33, 607—622
(1972).
218.	Rodgers R.	L.,	Briggs G. S., Henry W. N., Kaseman P. W., Simon	R. E.,
Van Asselt	R.	L., Silicon Intensifier Target Camera Tube, ISSCC,	Phila-
delphia, Digest of Tech. Pap, 176—177 (1970).
219.	Crowell №.	H.,	Buck T №., Labuda E. F„ Dalton J. V., Wahh E. J.,	A Ca-
mera Tube	with	a Silicon Diode Array Target, Bell Syst. Tech. J., 46,	490—
495 (1967).
220.	Buck T №., Casey H C., Jr., Dalton J. V., Yamin M., Influence of Bulk
and Surface Properties on Image Sensing Silicon Diode Arrays, BSTJ, 47,
1827—1854 (1968).
316
Литература
221.	Seib D. H., Carrier Diffusion Degradation of Modulation Transfer Function
in Charge Coupled Imagers, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-21, 210—
217 (1974).
222.	Putley E. H., Watton R., Ludlow J. H., Pyroelectric Thermal Imaging De-
vices, IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics, SU-19, 263—268 (1972).
223.	Fischer A. G., Infrared Imaging Devices, J. of Luminescence, 7, 427—448
(1973).
224.	Kruse P. W., MgGlauchlin L. D., AAcQuistan R. B., Elements of Infrared
Technology, Wiley, N. Y., 1962.
225.	Steckl A. J., Nelson R. D., French В. T., Gudmundsen R. A., Schechter D.,
Application of Charge Coupled Devices to Infrared Detection and Imaging,
Proc. IEEE, 63, 67—74 (1975).
226	Fraser J. C., Alexander D. H., Finnila R. M., Su S. C., An Extrinsic Si-
licon Charge Coupled Device for Detecting Infrared Radiation, IEDM, Was-
hington, D. C., Tech. Digest, 442—445 (1974).
227.	Steckl A. J., Koehler T., Theoretical Analysis of Directly Coupled 8—12 pirn
Hybrid IRCCD Serial Scanning, CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 247—
258 (1973).
228.	French D. E., Sekula J. A., Hartman J. M., Off-Focal-Plane Time Delay and
Integration (OTDI) Using Charge Coupled Devices, IEDM, Washington,
D. C., Tech. Digest, 437—441 (1974).
229.	Sheperd F. D., Jr., Yang A. C., Silicon Schottky Retinas for Infrared Ima-
ging, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 310—313 (1973).
230.	Kohn E. S., An Infrared Sensitive Charge Coupled Imager, IEEE Trans,
on Electron Devices, ED-21, 737 (1974).
231.	Kohn E. S., Schultz M. L., Charge Coupled Scanned IR Imaging Sensors,
Semi-Annual Technical Report, № AF CR2-TR-74-0056 (1974).
232.	Vickers V. E., Model of Schottky Barrier Hot-Electron-Mode Photodetec-
tion, Appl. Optics, 10, 2190—2192 (1974).
233.	Dalal V. L., Analysis of Photoemissive Schottky Barrier Photodetectors, J.
of Appl. Phys., 42, 2280—2284 (1971).
234.	Sheperd F. D., Jr., Yang A. C., Taylor R. W., A 1—2 pm Silicon Avalanche
Photodiode, Proc. IEEE, 58, 1160—1162 (1970).
235.	Soref R. A., Extrinsic IR Photoconductivity of Si Doped with B, Al, Ga, P,
As or Sb, J. of Appl. Phys., 38, 5201—5209 (1967).
236.	Pines M. Y., Baron R., Characteristics of Indium Doped Silicon Infrared
Detectors, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 446—450 (1974).
237.	Nelson R. D., Accumulation Mode Charge Coupled Device, представлено
в Appl. Phys. Lett. (1975).
238.	Steckl A. J., Nelson R. D., French В. T., Schechter D., Application of Char-
ge Coupled Devices to Infrared Detection and Imaging, CCD74 Int. Conf.,
Edinburgh, Proc., 256—269 (1974).
239.	Tao T. F., Ellis J. R., Kost L., Doshier A., Feasibility Study of PbTe and
Pb0,76Sn0,24Te, CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 259—264 (1973).
240.	Kim J. C., InSb MIS Structures for Infrared Imaging Devices, IEDM,
Washington, D. C., Tech. Digest, 419—422 (1973).
241.	Leonberger F. J., McWhorter A. L., Harman T. C., Hurwitz С. E., PbS MIS
Devices for Charge Coupled Infrared Imaging Applications, IEEE Trans,
on Electron Devices, ED-21, 738 (1974).
242.	Tompsett M. F., A Pyroelectric Thermal Imaging Camera Tube, IEEE
Trans, on Electron Devices, ED-18, 1070—1074 (1971).
243.	Watton R., Smith C., Harper B., Wreathall W. M., Performance of the Py-
roelectric Vidicon for Thermal Impaging in the 8—14 Micron Band, IEEE
Trans, on Electron Devices, ED-21, 462—469 (1974).
244.	Blackburn H., Wright H. C., Eddington R., King R. S., Pyroelectric De-
tector Arrays for Thermal Imaging, Conference on Infra-Red Techniques,
Reading, England (1971).
Литература
317
245.	Schlosser Р. A., Glower D. D., A Self-Scanned Ferroelectric Image Sensor,
IEEE Trans. Sonic and Ultrasonics, SU-19, 257—262 (1972).
246.	Watton R., Smith C., Jones G. R., The Pyroelectric Vidicon: Pyroelectric
Materials for Operation at Cathode Potential in a «Hard» Tube, IEDM,
Washington, D. C., late news pap. (1974).
247.	Shannon С. E., Communications in the Presence of Noise, Proc., IRE, 37,
10—21 (1949).
248	Boonstra L., Sangster F. L. J., Progress on Bucket Brigade Charge Trans-
fer Devices, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 140—141 (1972).
249.	Butler W. J., Puckette С. M., Smith D. A., Differential Mode of Operation
for Bucket Brigade Circuits, Electronics Lett, 9, 106—108 (1973).
250.	Sealer D. A., Tompsett M. F., A Dual-Differential Analog Charge Coupled
Device for Time-Shared Recursive Filters, ISSCC, Philadelphia, Digest of
Tech. Pap., 152—153 (1975).
251.	Caywood J. M., Buss D. D., Frequency Response of a Multiplexed Charge
Transfer Delay Line, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 310—311 (1974).
252.	Schiffman M., Playback Control Specus or Slows Taped Speech Without
Distortion, Electronics, 47, № 17, 87—94 (1974).
253.	Tompsett M. F., Zimany E. J., Use of Charge Coupled Devices for Analog
Delay, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 136—137 (1972).
254.	Kubo M., Ashikawa M., Takemoto I., Ohba S., A Wideband Low-Noise Ana-
log Delay Line, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 152—153 (1974).
255.	Takemoto L, Ohba S., Kubo M., Ashikawa M., A Wide-Band Low-Noise
Charge Transfer Video Delay Line, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9,
415—422 (1971).
256.	Copeland M. A., Roy D., Chan С. H., A Multiplexed Video Bandwidth CCD
Delay Line, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 146—147 (1975).
257.	Butler W. J., Pukette С. M., Barron M. B., Implementation of a Moving
Target Indicator bv Bucket Brigade Circuits, Electronics Lett., 8, 543—544
(1972).
258.	Roberts J. B. G., Eames R., Roche K. A., Moving-Target-Indicator Recur-
sive Radar Filter Using Bucket Brigade Circuits, Electronics Lett., 9,
89—90 (1973).
259.	Bounden J. E., Tomlinson M. J., CCD Chebyshev Filter for Radar MTI App-
lications, Electronics Lett., 10, 89—90 (1974).
260.	Bounden J. E., Eames R., Roberts J. B. G., MTI Filtering for Radar with
Charge Transfer Devices, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 206—213
(1974).
261.	White M. H., Webb W. R., Study of the Use of Charge Coupled Devices in
Analog Signal Processing Systems, U. S. Naval Research Laboratory, Fi-
nal Report, Contract № N00014-74-C-0069 Item A002 (1974).
262.	Werenko A., Majithia J. C., Design of a Circulating-Type Analogue-Digital
Converter Using Bucket Brigade Delay Lines, Electronics Lett., 9, 428—
430 (1973).
263.	Roberts J. B. G., Chesswas M., Eames R., Video Integration Using Charge
Coupled Devices, Electronics Lett., 10, 169—171 (1974).
264.	Roberts J. B. G., Chesswas M., Video Integration with CCD Delay Lines,
CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 214—220 (1974).
265.	Cheek T. F., Jr., Barton J. B., Emmons S. P., Schroeder J. E., Tasch A. F.,
Jr., Design and Performance of Charge Coupled Device Time-Division Ana-
log Multiplexers, CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 127—140 (1973).
266.	Smith D. A., Puckette С. M., Butler W. J., Active Bandpass Filtering with
Bucket Brigade Delay Lines, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-7, 421—
425 (1972).
267.	Smith D. A., Butler W. J., Puckette С. M., Programmable Bandpass Filter
and Tone Generator Using Bucket Brigade Delay Lines, IEEE Trans, on
Communications, COM-22, 921—925 (1974).
318
Литература
268.	Jackson L. В., Kaiser J. F., McDonald H. S., An Approach to the Implemen-
tation of Digital Filters, IEEE Trans, on Audio and Electroacoustics, AU-
16, 413—421 (1968).
269.	Mattern J., Lampe D. R., A Reprogrammable Filter Bank Using CCD Dis-
crete Analog Signal Processing, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap.,
148—149 (1975).
270.	Gersho A., Gopinath B., Filtering with Charge Transfer Devices, Int. Conf,
on Communications, San Francisco, Conf. Record. (1975).
271.	Kaliman H. E, Transversal Filters, Proc. IRE, 28, 302—310 (1940).
272.	Turin G. L., An Introduction to Matched Filters, IEEE Trans, on Informa-
tion Theory, IT-6, 311—329 (1960).
273.	Collins D. R., Bailey W. H., Gosney W. M., Buss D. D., Charge Coupled
Device Analogue Matched Filters, Electronics Lett., 8, 328—329 (1972).
274.	Buss D. D., Collins D. R., Bailey W. H., Reeves C. R., Transversal Filtering
Using Charge Transfer Devices, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-8, 138—
146 (1973).
275.	MacLennan D. J., Mavor J., Vanstone G. F., Windle D. J., Novel Tapping
Technique for Charge Coupled Devices, Electronics Lett., 9, 610—611
(1973).
276.	MacLennan D. J., Mavor J., Vanstone G., Windle D. J., Transversal Filte-
ring Using Charge Coupled Devices, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc.,
221—228 (1974).
277.	Baertsch R. D., Engeler W. E., Goldberg H. S., Puckette С. M., Tie-
mann J. J., Two Classes of Charge Transfer Devices for Signal Processing,
CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 229—236 (1974).
278.	Ibrahim A., Sellars L., Foxall T., Steenart W., CCDs for Transversal Filter
Applications, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 240—243 (1974).
279.	Sekula J. A., Prince P. R., Wang C. S., Non-Recursive Matched Filters
Using Charge Coupled Devices, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest,
244—247 (1974).
280.	Puckette С. M., Butler W. J., Smith D. A., Bucket Brigade Transversal
Filters, IEEE Trans, on Communications, COM-22, 926—934 (1974).
281.	Rabiner L. R., Schafer R. W., Rader С. M., The Chirp z-Transform Algo-
rithm, IEEE Trans, on Audio and Electroacoustics, AU-17, 86—92 (1969).
282.	Whitehouse H. J., Speiser J. M., Means R. W., High Speed Serial Access
Linear Transform Implementations, All Applications Digital Computer Sym-
posium, Orlando, Florida, NUC TN 1026 (1973).
283.	Means R. W., Buss D. D., Whitehouse H. J., Real Time Discrete Fourier
Transforms Using Charge Transfer Devices, CCD Appl. Conf., San Diego,
Proc., 127—139 (1973).
284.	Buss D. D., Bailey W. H., Tasch A. F., Signal Processing Applications of
Charge Coupled Devices, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 179—197
(1974).
285.	Brodersen R. W., Fu H.-S., Frye R. C., Buss D. D., A 500-Point Fourier
Transform Using Charge Coupled Devices, ISSCC, Philadelphia, Digest of
Tech. Pap., 144—145 (1975).
286.	Blackman R. B., Tukey J. W., The Measurement of Power Spectra, BSTJ,
37, 185—282 (1958).
287.	Cook С. E., Bernfeld M., In: Radar Signals, Academic Press, N. Y., 1967,
pp. 182—206.
288.	Buss D. D., Bailey W. H., Collins D. R., Matched Filtering Using Tapped
Bucket Brigade Delay Lines, Electronics Lett., 8, 106—107 (1972).
289.	White M. H., Lampe D. R., Fagan J. L., CCD and MNOS Devices for Pro-
grammable Analog Signal Processing and Digital Nonvolatile Memory,
IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 130—133 (1973).
290.	Thornber К. K., Optimum Linear Filtering for Charge Transfer Devices,
IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 285—291 (1974).
Литература
819
291.	Tieman J. J., Baertsch R. D., Engeler W. E., A Surface Charge Correlator,
ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 154—155 (1974).
292.	Tiemann J. J., Engeler W. E., Baertsch R. D., Brown D. AL, Intracell Charge
Transfer Structures for Signal Processing, IEEE Trans, on Electron De-
vices, ED-21, 300—308 (1974).
293.	Tiemann J. J., Engeler W. E., Baertsch R. D., A Surface Charge Correlator,
IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 403—410 (1974).
294.	Lagnado I., Whitehouse H. J., Signal Processing Image Sensor Using Char-
ge Coupled Devices, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 198—205 (1974).
295.	Bruun E., Olesen L., Analog Capacitance ROM with IGFET Bucket Bwi-
gade Shift Register, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-10, 55—59 (1975).
296.	Hodges D. A. (ed.), Special Issues on Semiconductor Memories, IEEE J. of
Solid-State Circuits (1970).
297.	Thornber К. K., Error Rates of Digital Signals in Charge Transfer Devi-
ces, BSTJ, 52, 1795—1809 (1973).
298.	Chambers J. M., Sauer D. J., Van Nuys C. A., Kosonocky W. F., CCD’s as
Drum and Disc Equivalents, WESCON, Los Angeles, Session 6 (1974).
299.	Carnes J. E., Kosonocky W. F., Chambers J. M., Sauer D. J., Charge Coup-
led Devices for Computer Memories, National Computer Conference, Chi-
cago, Proc. 827—836 (1974).
300.	Patrin N. A., Performance of Very High Density Charge Coupled Devices,
IBM J. of Res. and Dev., 17, 241—248 (1973).
301.	Krambeck R. H., Retajczyk T. F., Silversmith D. J., Strain R. J., A 4160-Bit
C4D Serial Memory, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 436—443 (1974).
302.	Ibrahim A., Sellars L., 4096 Bit Charge Coupled Device Serial Memory Ar-
ray, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 141 (1973).
303.	Rosenbaum S. D., Caves J. T., CCD Memory Arrays with Fast Access by
On-Chip Decoding, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 210—211
(1974).
304.	Wallmark J. T., Scott J. H., Switching and Storage Characteristics of MIS
Memory Transistors, RCA Review, 30, 335—366 (1969).
305.	Kahng D., Sundburg W. J., Boulin D. M., Ligenza J. R., Interfacial Do-
pants for Dual-Dielectric Charge-Storage Cells, Bell Syst. Tech. J., 53,
1723—1739 (1974).
306.	Thornber К К., Kahng D., Neppell С. T., Bias-Temperature-Stress Studies
of Charge Retention in Dual-Dielectric Charge-Storage Cells, BSTJ, 53,
1741—1770 (1974).
307.	White M. H., Lampe D. R., Fagan J. L., Barth D. A., A Nonvolatile Charge-
Addressed Memory (NOVCAM) Cell, IEDM Tech. Digest, 115—118 (1974).
308.	Chan Y. T., French В. T., Gudmundsen R. A., Charge Coupled Memory De-
vice, Appl. Phys. Lett., 22, 650—652 (1973).
309.	Goser K., Knauer K., Nonvolatile CCD Memory with MNOS Storage Ca-
pacitors, IEEE J. of Solid-State Circuits, SC-9, 148—150 (1974).
310.	White M. H., Lampe D. R., Fagan J. L., Barth D. A., A Nonvolatile Char-
ge-Addressed Memory (NOVCAM) Cell, IEDA4, Washington, C. D., Tech.
Digest, 115—118 (1974).
311.	Sequin С. H. Two Dimensional Charge Transfer Arrays, IEEE J. of Solid-
State Circuits, SC-9, 134—142 (1974).
312.	Krupp R. S., Tomko L. A., Switching Networks of Planar Shifting Arrays,
BSTJ, 52, 991—1007 (1973).
313.	Mok T. D., Salama С. A. T., Logic Array Using Charge Transfer Devices,
Electronics Lett., 8, 495—497 (1972).
314.	Mok T. D., Salama С. A. T., A Charge Transfer Device Logic Cell, Solid-
State Electronics, 17 (1974).
315.	Zimmerman T. A., Miller C. S., Charge Coupled Devices in Signal Pro-
cessing Systems, Vol. I, Digital Signal Processing, Naval Research Labo-
ratory, Report of work performed under Contract N0014-74-C-0068 (1974)
320
Литература
316.	Akers S. В., Jr., A. Rectangular Logic Array, IEEE Trans, on Computers,
C-21, 848—857 (1972).
317.	Boyle W. S., Smith G. E., Charge Coupled Devices —A New Approach to
MIS Device Structures, IEEE Spectrum-8, 18—27 (1971).
318.	Tompsett M. F., Charge Transfer Devices, J. Vac. Sci. Technol., 9, 1166—
1181 (1972).
319.	Poirier R., Les Dispositifs Semiconductors a Transfer de Charge, Revue
Technique Thomson, CSF 5, № 1 (1973).
320.	Collet M. G., Esser L. J. M., Charge Transfer Devices, Festkoerper Probleme
XIII, 337—358 (1973).
321.	Carnes J. E., Kosonocky W. F., Charge Coupled Devices and Applications,
Solid-State Technology, 17, № 4, 67—77 (1974).
322.	Tompsett M. F., CCD Technology, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc.,
75—83 (1974).
323.	Barbe D. F., Imaging Devices Using the Charge Coupled Concept, Proc.
IEEE, 63, 38—67 (1975).
324.	Terman L. M., An Investigation of Surface States at a Silicon/Silicon Oxi-
de Interface Employing Metal-Oxide-Silicon Diodes, Solid-State Electro-
nics, 5, 282—299 (1962).
325.	Nicollian E. FL, Goetzberger A., The Si-SiO2 Interface — Electrical Proper-
ties as Determined by the Metal-Insulator-Silicon Conductance Technique,
Bell Sy st. Tech. J., 46, 1055—1133 (1967).
326.	Goetzberger A., Interface States in Si-SiO2, CCD74 Int. Conf., Edinburgh,
Proc., 47—58 (1974).
327.	Maydan D., Coquin G. A., Maldonado J. R., Somekh S., Lou D. Y., Tay-
lor G. N., High Speed Replication of Sub-Micron Features on Large Areas
by X-Ray Lithography, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 18—20
(1974).
328.	de Haan E. F., van der Drift A., Schampers P. P. M., The «Plumbicon»
A New Television Camera Tube, Philips Tech. Review, 25, 133—151 (1964).
329.	Matthaei G. L., Acoustic Surface Wave Transversal Filters, IEEE Trans, on
Circuit Theory, CT-20, 459—470 (1973)
330.	Suarez R. E., Gray P. R., Hodges D. A., An All-MOS Charge-Redistriby-
tion A/D Conversion Technique, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap.,
194—195 (1974).
331.	Cheng E. K-L, Mead C. A., Single-Chip Cursive Character Generator,
ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 32—33 (1975)
332.	Smokier M. I. (ed.), Symposium on CCD Tech, for Scientific Imaging
Applications, Pasadena, March 1975.
333.	Buss D. D. (ed.), Advanced Solid-State Components for Analog Signal
Processing, IEEE Int. Symposium on Circuits and Systems, Boston, Ap-
ril 1975.
334.	Lagnado I. (ed.), The 1975 Int. Symposium on the Applications of Charge
Coupled Devices, San Diego, October 1975.
335.	Mavor J. (ed.), CCD76 Int. Conf., Edinburgh, September 1976.
336.	Mavor J. (ed.), Special Issue on CCD’s, Microelectronics J., September 1975.
337.	Buss D. D., Tompsett M. F. (ed.), Joint Special Issue on Charge Transfer
Devices, J. Solid-State Circuits and Transactions on Electron Devices, Feb-
ruary 1976.
338.	Amelio G. F., Bertram W. J., Tompsett M. F., Charge Coupled Imaging De-
vices: Design Considerations, IEEE Trans, on Electron Devices, ED-18,
986—992 (1971).
339.	Baertsch K. D., Engeler W. E., Tiemann J. J., A New Surface Charge Ana-
log Store, IEDM, Washington, D. C., Tech Digest, 134—137 (1973).
340.	Barbe D. F., Saks N. S., A Tradeoff Analysis of Transfer Speed versus
Charge Handling Capacity for CCD’s, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc..
114—122 (1974).
Литература
321
341.	Bower R. W., Zimmerman T. A., Mohsen A. M., Performance Characteris-
tics of the Offset-Gate Charge Coupled Device, IEEE Trans, on Electron
Devices, ED-22, 72—74 (1975).
342.	Chan Y. T., Fabrication and Operation of CCD Structure with Silicon Lay-
ers Grown on Sapphire Substrates, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest,
469—472 (1973).
343	Chowaniec A., Hobsor G. S., The Use of Charge Coupled Devices for Sin-
gle Sideband Modulation, CCD74 Int Conf., Edinburgh, Proc., 237—244
(1974).
344	Gray P. A., Coltman H., Back Surface Imaging of Thinned CCD, CCD74
Int. Conf., Edinburgh, Proc., 162—167 (1974).
345.	Heller L. G., Spampinato D. P., Yao Y. L., High Sensitivity Charge Trans-
fer Sense Amplifier, ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap., 112—113
(1975).
346.	Holmes F. E., Salama С. A. T., A V-Groove Oxide Isolated Bipolar Bucket
Brigade Shift Register, Solid-State Electronics, 17, 1193—1200 (1974).
347.	Kahng D., Sze S. M., A Floating Gate and Its Application to Memory,
BS77, 46. 1288—1300 (1967).
348.	Lamb D. R., Singh M. P., Brotherton S. D., Roberts P. С. T., Influence of
Surface States on the Performance of Three Phase Charge Coupled De-
vices, CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc., 59—66 (1974).
349.	Lasser M. E., Cholet P., Wurst F. C., High Sensitivity Crystal Infrared De-
tectors, J. Opt. Soc. Am., 48, 468—473 (1958).
350.	Sealer D. A., Sequin С. H., Tompsett M. F., Design and Characterization
of CCD’s for Analog Signal Processing, Int. Conf, on Communications,
San Francisco, Conf. Record будет опубликована (1975).
351.	Shortes S? R., Chan W. W., Rhines W. C., Barton J. B., Collins D. R., De-
velopment of a Thinned Backside-Illuminated Charge Coupled Device Ima-
ger, IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest, 415 (1973).
352	Stupp E. H., Kostelec J., Staneck W., Lalak J. Kidder M., Crowell M. H.,
Silicon Diode Array Target with Gating Capabilities, IEDM, Washington,
D. C., Abstract 4.4 (1971).
353	Tompsett M. F., Sealer D. A., Sequin С. H., Shankoff T. A., Charge Coup-
led Image Sensing: State of the Art, IEEE INTERCON, N. Y., Digest,
Vol. 6, pap. 1/4 (1973).
354.	Zissis G. J. (ed.), Special Issue on Infrared Technology for Image Sen-
sing, Proc. IEEE, 63, 3—189 (1975).
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аподизация 241
Зарядовый пакет 11, 22
Белые точки 205
Боковое ограничение канала 17, 23,
54
Ввод заряда, динамическая инжек-
ция 60, 130, 140
----отсечка диода 62, 130, 140
---- уравнивание потенциалов 62,
130, 140
Взаимодействие зарядовых пакетов
287
Временная задержка и накопление
214
Время хранения 22
Входной диод 60
—	затвор 60
Выборочное извлечение 73
Выходной регистр вертикальный 168
---- горизонтальный 168
Геометрический шум (полосатость)
изображения) (fixed pattern noise)
26, 156
—	— подавление 187
Гидростатическая модель 18
Динамическая проводимость стока 91,
106
Динамический диапазон 214
Добротность 231
Допустимое несовмещение (R) 36
Запоминающее устройство много-
уровневое 257, 260
---- последовательно-параллельно-
последовательное 261
— — серпантинное 267
— — с одним электродом на бит 53,
267
— — энергонезависимое 274
Излучение ИК 211
—	фоновое 213
Имплантированный барьер 39
Импульсная характеристика 23^
Инверсионный слой 17
Исток 90
Канал переноса 22
—	— глубокий 57
—	— защищенный 32
—	— мелкий 57
— — объемный 24, 56, 79, 80, 102
---поверхностный 56, 22, 75, 111,
79
Канальный слой 56
Коррелятор аналоговый 250
Косое напыление металла 39
Краевые поля 97
Линейность 139, 140, 144
Линия задержки 220, 222
Локальное легирование 216
Матрица двумерная 280
Метод заряда 95
Метод сдвинутой маски 43
Минимальная разрешимая величина
(F) 33, 36
Муара эффект 189
Мультиплексор 225
Найквиста предел 15, 189
Непустой нуль (фоновый заряд) 86,
105, 113
Неэффективность переноса 83
---результирующая 86
Предметный указатель
323
Область обеднения 20
Обнаружение движущихся объектов
187
Обнаружительная способность при-
емника изображения 201
Объемные ловушки 119
Однонаправленность встроенная 35,
38, 39
—	обратимая 51
Организация считывания (readout
organizations) 158
—	— билинейная 159
—	— с вертикальным межстрочным
считыванием 169
------- переносом кадра 168
Паразитные эффекты 110
Параметр неполноты переноса 91
Передаточная функция 88, 137
Перекрестные помехи 226
Перенос заряда 22
ПЗИ (прибор с зарядовой инжек-
цией) (charge injection device) 166,
179
ПЗС (прибор с зарядовой связью) 22
—	перистальтический 57
— профилированный перистальтиче-
ский 58
—	с омической связью (С40) 41
Плавающий затвор 67
Поверхностные состояния 92, 111,115
Поверхностный потенциал 18, 19
Подрезка изоляции 32, 38
Пожарная цепочка 13, 27, 41
---на канальных транзисторах
107
Поликремний 32
—	селективно легированный 60
Полоса пропускания 223
Потенциальная яма 17, 19, 25
Потери заряда постоянные 86
Преобразование Лапласа 87
—	масштаба ПЗС 45
—	CZT 241
—	Z 86
Приближение большого заряда 89
—	обедненного слоя 20
Приемник изображения на ПЗС
(charge-coupled image sensing) 14,
156, 299
-------гибридный 217
-------двумерный (area) 157
-------линейный (linear) 157
-------с координатной выборкой
156
-------пироэлектрический 218
Приемник изображения на ПЗС с
примесным поглощением 215
Разветвление 72
Регенерация 70
Режим «выталкивающих импульсов»
77, 108, 119
—	неполного переноса заряда 104,
124
—	полного переноса заряда 92
—	«сбрасывающих импульсов» 77,
108, 119
Рециркуляция сигнала 213
Самоиндуцированный дрейф 94
Самосовмещенные области 38
Секция хранения 168
Сигнальный заряд 24
Соединение каналов 72
Сток 90
—	переполнения 195
— сквозная проводимость 91
Стоп-диффузии область 17, 54
Стоп-имплантации область 54
Считывание заряда двойная корре-
лированная выборка 66, 137
----инжекция в подложку 65
---- многократное 187
---- распределенный усилитель с
плавающими затворами (РУПЗ)
69, 137
----стробируемый интегратор 65
----токовая выходная цепь 65
Сумматор 289
Тактовое питание 13, 22, 26
Тактовые импульсы 77
Темновой ток 145
----вычитание 187
Тепловая генерация 107
—	диффузия 93
Тепловидение 212
Транзистор биполярный 29
—	канальный 29
—	поверхностно-зарядовый 13
— полевой с изолированным затво-
ром (ПТИЗ) 13, 27
Умножитель 289
Управляющая способность 38, 75
Фильтр на ПЗС
•---мультиплексный 232
324
Предметный указатель
Фильтр настраиваемый 245, 247
----- рекурсивный 227
-----согласованный 236
----- трансверсальный 234
Фоновый заряд (непустой нуль) 86,
105, 113
Фоточувствительный элемент 158
Шум генерационный 129
—	детектирования 131
—	неполного переноса 123
—	объемных ловушек 127
— поверхностных состояний 124
— электрической инжекции 130
Ширина обедненного слоя 20
Центры захвата ПО, 127, 147, 151
Чересстрочность 171
Частотно-контрастная характеристи-
ка (modulation tronsfer function)
189
Электрод переноса 24
Электронная структура 26, 30
-----двухфазная 36
-----многофазная 52
-----однофазная 51
-----трехфазная 30
-----четырехфазная 34
Шина питания 32
Шоттки барьер 26, 214
Ячейка логическая 287
— элементарная 30
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому переводу..................................... 5
Предисловие к американскому изданию................................. 7
Предисловие авторов ................................................ 8
Глава 1. Введение................................................    П
Глава 2. Принципы работы приборов с переносом заряда................17
1.	МОП-конденсатор .............................................17
2.	Приборы с зарядовой связью (ПЗС).............................22
2.1.	ПЗС с поверхностным каналом..............................22
2.2.	ПЗС с объемным каналом...................................24
2.3.	ПЗС на основных носителях................................26
3.	Интегральные приборы типа пожарных цепочек...................27
3.1.	Пожарные цепочки на МОП-структурах.......................27
3.2.	Пожарные	цепочки	на	канальных транзисторах..............29
3.3.	Пожарные	цепочки	на	биполярных транзисторах.............29
Глава 3. Способы физической реализации............................  30
1.	Электродные структуры........................................30
1.1.	Структуры	с" тремя	электродами на ячейку.................30
1.2.	Структуры	с четырьмя	электродами на ячейку...............34
1.3.	Структуры с двумя электродами на ячейку..................36
1.4.	Интегральные приборы типа пожарных цепочек...............41
1.5.	Электродные структуры с ячейками минимальных размеров . . 43
1.6.	Специальные электродные структуры........................51
2.	Каналы переноса..............................................54
2.1.	Боковое ограничение канала...............................54
2.2.	Поверхностный и объемный каналы..........................56
3.	Устройства ввода и вывода....................................59
3.1.	Инжекция зарядовых пакетов...............................60
3.2.	Детектирование зарядовых пакетов.........................65
3.3.	Регенерация .............................................70
3.4.	Соединение и разветвление каналов........................72
Глава	4. Физические ограничения..................................  75
1.	Управляющая способность......................................75
Ц. ПЗС с поверхностным каналом................................75
1.2.	ПЗС с объемным каналом...................................80
2.	Неэффективность переноса.....................................82
2Д. Качественное описание неэффективности	переноса............83
2.2.	Количественные оценки неэффективности переноса...........86
2.3.	Общий метод вычисления неэффективности переноса .... 89
2.4.	Влияние переноса подвижного заряда на неэффективность
переноса......................................................92
326
Оглавление
2.5.	Влияние захвата заряда на неэффективность переноса . . .110
3.	Шумы ....................с..................................122
3.1.	Шум переноса............................................122
3.2.	Генерационный шум.......................................129
3.3.	Шум электрической инжекции..............................129
3.4.	Шум детектирования сигнала..............................131
4.	Линейность .................................................139
4.1.	Перенос заряда..........................................139
4.2.	Оптическая инжекция заряда..............................139
4.3.	Электрическая инжекция заряда...........................140
4.4.	Детектирование заряда ..................................144
5.	Темновой ток.................................................145
5.1.	Источники темнового тока................................145
5.2.	Зависимость темнового тока от времени...................148
5.3.	Численные значения темнового тока.......................150
5.4.	Технологические методы уменьшения темнового тока . . . .151
6.	Мощность ....................................................152
6.1.	Мощность, рассеиваемая в приборе........................152
6.2.	Реактивная мощность.....................................154
Глава 5. Приемники изображения на ПЗС............................  156
1.	Линейные приемники изображения..............................158
1.1.	Схемы организации считывания............................158
1.2.	Примеры линейных приемников изображения.................160
2.	Двумерные приемники изображения..............................166
2.1.	Схемы организации считывания............................166
2.2.	Чересстрочная развертка.................................171
2.3.	Примеры двумерных приемников	изображения................175
2.4.	Цветные телевизионные камеры............................184
2.5.	Обработка сигнала в приемниках	изображения..............186
3.	Предельные характеристики....................................188
3.1.	Разрешающая способность.................................188
3.2.	Расплывание изображения.................................194
3.3.	Квантовая эффективность и спектральная характеристика чув-
ствительности ...............................................199
3.4.	Прием изображения при низких уровнях освещенности .... 201
3.5.	Дефекты приемников изображения.........................204
4.	Освещение со стороны подложки..............................207
5.	Приемники ИК-изображения на ПЗС............................211
5.1.	Общие требования.......................................211
5.2.	Способы обработки сигнала..............................213
5.3.	Твердотельные приемники ИК-изображения на ПЗС..........214
5.4.	Гибридные приемники ИК-изображения на ПЗС..............217
Глава 6. ППЗ в устройствах обработки сигналов .......... 219
1.	Аналоговые линии задержки....................................219
2.	Мультиплексирование .........................................225
3.	Рекурсивные фильтры..........................................227
4.	Трансверсальные фильтры......................................234
4.1.	Фильтры с фиксированными весовыми коэффициентами. Согла-
сованные фильтры.............................................236
4.2.	Фильтры с -настраиваемыми весовыми коэффициентами.. Линии
задержки с отводами..........................................245
5.	Корреляция ..................................................250
6.	Обработка сигналов в	приемниках изображений...................252
7.	Генераторы колебаний.........................................252
Оглавление	327
Глава 7. Цифровые запоминающие устройства....................  .	254
1.	Иерархия запоминающих устройств..........................254
2.	Емкость памяти и вероятность ошибок в ЗУ на ППЗ..........256
3.	Основные способы организации ЗУ..........................261
3.1.	Последовательно-параллельно-последовательная организация
ЗУ.........................................................261
3.2.	Организация ЗУ с одним электродом на бит.............265
3.3.	Серпантинная и петлевая организации..................267
4.	ЗУ на ПЗС с сохранением информации при отключении питания . . 273
Глава 8. Двумерные и логические матрицы ............ 280
1.	Двумерные передающие матрицы.............................280
1.1.	Основные структуры электродов........................280
1.2.	Топологии и применения...............................283
1.3.	Матрицы специального назначения......................284
1.4.	Двумерные фоточувствительные матрицы.................285
2.	Логические матрицы.......................................286
2.1.	Элементарные логические ячейки.......................287
2.2.	Двоичные сумматоры и умножители......................289
2.3.	Универсальные логические матрицы.....................291
Глава 9. Заключение...........................................  294
1.	Исследование и расчет ППЗ................................294
2.	Технология изготовления ПЗС..............................296
3.	ПЗС для приемников изображения...........................299
4.	ППЗ для обработки аналоговых сигналов....................301
5.	ППЗ для цифровых ЗУ......................................302
6.	Двумерные и логические массивы...........................304
7.	Перспективы развития.....................................304
Предметный указатель............................................322
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
Ваши замечания о содержании книги, ее оформ-
лении, качестве перевода и другие просим присылать
по адресу: 129820, Москва, И-110, ГСП, 1-й Риж-
ский пер., д. 2, изд-во «Мир».
ИБ № 980
К. Секен, М. Томпсет
ПРИБОРЫ С ПЕРЕНОСОМ ЗАРЯДА
Редактор И. М. Андреева
Художник И. Б. Кравцов
Художественный редактор В. К. Бисенгалиев
Технический редактор Н. И. Манохина
Корректор Л. Д. Панова
Сдано в набор 27.10.77.	Подписано к печати 20.01.78.
Формат бОХЭО’Лб. Бумага типографская № 1. Литературная
гарнитура. Высокая печать. 10,25 бум. л., 20,50 печ. л. Уч.-изд.
л. 20,05. Цена 1 р. 70 к. Зак 816
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, 1-й Рижский пер., 2
Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградская
типография 2 имени Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета
Министров СССР по делам издательств, полиграфии
И книжной торговли. 198052, Ленинград, Л-52, Измайловский
проспект, 29.