2.3.8. Прилади з переносом заряду
Існує два типи приладів, які працюють за принципом переносу заряду від одної ділянки на кремнійовій підложці до іншої – прилади, що працюють за принципом “пожежних ланцюжків”, і прилади з зарядовим зв’язком (ПЗЗ).
На рис. 2.49 наведений приклад реалізації пристрою типу “пожежних ланцюжків” на дискретних компонентах. Принцип роботи даного пристрою полягає в тому, що заряд, внесений на один з конденсаторів, шляхом дії двофазної системи синхроімпульсів ф1 , ф2 на транзистори VT може переміщуватись від одного конденсатора до іншого. Цим самим може забезпечуватись послідовний запис інформації, її зберігання, затримка на визначений інтервал часу і т.п. Ця схема має дві особливості:
1. Оскільки для запам’ятовування використовується конденсатор, то є можливість оперувати як аналоговою, так і цифровою інформацією;
2. Оскільки через розімкнені транзистори відбувається втрата заряду, ця пам’ять повинна працювати в динамічних режимах.
ПЗЗ (рис. 2.50) простіші “пожежних ланцюжків”. Якщо до одного з електродів прикласти високий позитивний потенціал, то область напівпровідника під ним буде збідненою “дірками” і в ній створиться потенційна яма. Якщо забезпечити позитивний потенціал + достатньо великим, то напівпровідникова пластина поблизу електроду змінить тип провідності (вона стане n- типу ). У будь-якому випадку потенційна яма довго порожньою не буде, адже до неї швидко почнуть притягуватися негативні заряди, що появляються за рахунок термогенерації в тілі напівпровідника.
Пристрій ПЗЗ працює за рахунок накопичення і руху зарядів від однієї потенційної ями до іншої. Трифазна система ПЗЗ найбільш зручна для забезпечення зсуву заряду в одному напрямку вздовж пристрою. Якщо в структуру напівпровідника внесений заряд, то при максимальному потенціалі 1 він накопичується під першим електродом. Для переміщення під другий електрод спочатку 1 зменшується і стає тимчасово 1 = 2 . Після цього потенціал 2 зростає. Внаслідок під 2 утворюється потенційна яма і заряд стікає під 2 . Для переводу потенціалу під 3 потрібно створити 1 = 0, 2 = м / 2, 3 = м і т.д., де м – максимальний потенціал. Пересування потенціалів відбувається послідовно. Оскільки можливо заповнити порожнину ям за рахунок термогенерації, то ПЗЗ можуть працювати тільки у динамічних режимах.
У ПЗЗ є ряд причин втрати заряду, тому його постійно необхідно поновлювати. Швидкість руху заряду хоча і велика, але обмежена. Має місце темновий струм за рахунок термогенерації електронно-діркових пар. Це сприяє заповненню потенційних ям і спотворює сигнал.
Для боротьби з вказаними недоліками розроблені ефективні методи. Наприклад, на рис. 2.51 приводиться варіант ПЗЗ з елементами запису і зчитування інформації.
Вхідна область діє як витік, З1 – затвор, З2 – стік. Стробуюча напруга U1 подається на З1 , а вхідний сигнал діє на вхідну дифузійну область. Величина заряду витоку визначається рівнем сигналу, і коли приходить стробуючий імпульс, то перша потенційна яма під З2 заповнюється до цього рівня. Заряд також заповнює потенційну яму під З1 , але коли знімається стробуюча напруга U1 – заряд повертається до витоку.
У вихідному каскаді дифузійна n- область діє як стік. Постійне зміщення на З5 служить для розв’язки стоку від впливу тактових імпульсів. Заряд від З4 проходить через цей потенційний бар’єр і детектується як вихідний сигнал у стоковій дифузійній області. Практично безпосередньо на підложці ПЗЗ розташовані і підсилювачі для підвищення рівня вихідного сигналу. Їх також можна використовувати для отримання незнищуваного зчитування вздовж лінії ПЗЗ.
ПЗЗ можуть бути використані для зберігання аналогової та цифрової інформації або для запису і запам’ятовування оптичного сигналу. Якщо на вхід подати аналоговий сигнал, то він автоматично відбирається і зсувається з тактовою частотою так, що на виході з’являється вхідний сигнал, але затриманий і у вигляді імпульсів, модульованих за амплітудою. Для відновлення сигналу його необхідно підсилити та відфільтрувати. Враховуючи дискретний характер передачі інформації, ПЗЗ можуть бути використані у якості регульованих ліній затримки.
Перевагою ПЗЗ у цифровій техніці є простота, яка дозволяє вбудовувати їх у запам’ятовуючі пристрої з дуже великим обсягом пам’яті і отримувати низьку питому вартість на 1 біт. Для підвищення ефективності переносу інформації і запобігання її спотворювання в ПЗЗ прилади вбудовують підсилювачі регенерації, які виконані у вигляді простих порогових пристроїв, що відновлюють вихідні рівні сигналів і встановлюються на певних відстанях уздовж всієї довжини ПЗЗ.
При використанні ПЗЗ для сприйняття зображень на матрицю ПЗЗ спрямовують промені світла. Один з електродів – наприклад, 1 – знаходиться під (+) напругою для утворення потенційної ями. Він збирає (–) заряди з електронно-дірочних пар, які утворюються під дією світла. Величина отриманого заряду пропорційна інтенсивності світла і тривалості його впливу на ПЗЗ. У визначений момент часу сигнал зсувається вздовж лінії і послідовно зчитується з ПЗЗ. Час експонування повинен бути набагато меншим часу, який витрачається на зсув, для того щоб запобігти можливому “розмазуванню” сигналу. Збільшити площу зображення можна за рахунок збільшення кількості рядків, але максимальна кількість елементів у рядку, через які може здійснюватися перенос, визначається ефективністю переносу заряду. Для збільшення цієї кількості можна застосувати мультиплексування.
Реалізація функцій цифрової логіки на основі ПЗЗ потребує взаємодії з інформацією, яка зберігається у зсувних ПЗЗ – регістрах. Таку взаємодію можна реалізувати двома способами. Один з них називається зчитуванням з руйнуванням інформації, адже в процесі такого зчитування вихідні логічні сигнали знищуються. Інший спосіб – неруйнуюче зчитування, при якому логічні сигнали в ПЗЗ-регістрах зберігають свої логічні рівні.
На ПЗЗ можуть реалізовуватись різні логічні функції як постійного, так і тимчасового призначення, що дає можливість суттєво розширити можливості приладів.
ПЗЗ мають такі технічні характеристики: площа (1…2) × 10-3 мм2; tЗ = 50…100 нс; А = 0,2 нДм.
Технології ПЗС широко використовуються при побудові складних функціональних схем. Наприклад? мікросхема К593БР1 використовується як складна лінія затримки. Мікросхеми серії К528 призначені для фільтрації, запам’ятовування, затримки, накопичення і часового перетворення аналогових сигналів. Мікросхеми серії К1111 використовуються як фільтри, частоти зрізу яких задаються частотою керуючих сигналів.