전계효과와 그 응용. CCD 매트릭스 란 무엇입니까?

처음으로 전자 전하를 저장하고 읽는다는 아이디어를 가진 CCD 원리는 메모리를 대체할 수 있는 새로운 유형의 컴퓨터 메모리를 찾는 동안 60년대 후반 BELL Corporation의 두 엔지니어에 의해 개발되었습니다. 페라이트 링(네, 네, 그런 기억이 있었어요). 이 아이디어는 가능성이 없는 것으로 판명되었지만 실리콘이 가시 광선 스펙트럼에 반응하는 능력이 주목되었고 이 원리를 이미지 처리에 사용하는 아이디어가 개발되었습니다.

용어를 해독하는 것부터 시작하겠습니다.

약어 CCD는 "Charge-Coupled Devices"를 의미합니다. 이 용어는 영어 "Charge-Coupled Devices"(CCD)에서 파생되었습니다.

이러한 유형의 장치는 현재 다양한 분야에서 매우 광범위한 응용 분야를 갖고 있습니다. 광전자 장치이미지를 등록하려면 일상 생활에는 디지털 카메라, 비디오 카메라 및 다양한 스캐너가 있습니다.

감광성 패드와 전기 신호를 포착하기 위한 두 개의 전기 접점이 있는 기존 반도체 포토다이오드와 CCD 수신기의 차이점은 무엇입니까?

첫째로, CCD 수신기에는 수천에서 수십만, 심지어 수백만에 이르는 빛에 민감한 영역(종종 픽셀이라고 함 - 빛을 받아 전하로 변환하는 요소)이 많이 있습니다. 개별 픽셀의 크기는 동일하며 단위에서 수십 미크론까지 다양합니다. 픽셀은 한 행에 정렬될 수 있습니다. 그런 다음 수신기를 CCD 어레이라고 부르거나 표면 영역을 짝수 행으로 채울 수 있습니다. 그런 다음 수신기를 CCD 매트릭스라고 합니다.

수광소자의 위치(직사각형) 파란색) CCD 어레이 및 CCD 매트릭스에서.

둘째, 일반 마이크로 회로처럼 보이는 CCD 수신기에는 전기 신호를 출력하기 위한 전기 접점이 많지 않으며, 이는 각 수광 요소에서 나오는 것처럼 보입니다. 하지만 CCD 수신기에 연결됩니다. 전자 회로, 각 감광성 요소에서 조명에 비례하는 전기 신호를 추출할 수 있습니다.

CCD의 작동은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 각 감광 요소(픽셀)는 전자를 위한 돼지 저금통처럼 작동합니다. 전자는 광원에서 나오는 빛의 영향을 받아 픽셀 단위로 생성됩니다. 비가 올 때 밖에 놓아두는 양동이처럼, 주어진 시간 동안 각 픽셀은 들어오는 빛의 양에 비례하여 점차적으로 전자로 채워집니다. 이 시간이 끝나면 각 픽셀에 축적된 전하가 차례로 장치의 "출력"으로 전송되어 측정됩니다. 이 모든 것은 감광성 요소가 위치한 특정 결정 구조로 인해 가능합니다. 전기 다이어그램관리.

CCD 매트릭스는 거의 동일한 방식으로 작동합니다. 노출(투영된 이미지의 조명) 후 장치의 전자 제어 회로는 복잡한 펄스 전압 세트를 공급하여 픽셀에 축적된 전자가 있는 열을 매트릭스 가장자리로 이동하기 시작합니다. CCD 레지스터는 전하가 수직 방향으로 이동하여 측정 요소에 떨어지면서 개별 전하에 비례하는 신호를 생성하는 위치입니다. 따라서 이후의 매 순간마다 축적된 전하의 값을 얻을 수 있으며 매트릭스의 어느 픽셀(행 번호 및 열 번호)에 해당하는지 알아낼 수 있습니다.

프로세스의 물리학에 대해 간략하게 설명합니다.

우선, CCD는 소위 기능성 전자 제품에 속하며 트랜지스터, 저항기 및 커패시터와 같은 개별 무선 요소의 집합으로 상상할 수 없습니다. 작동은 전하 결합 원리를 기반으로 합니다. 전하 결합의 원리는 정전기학에서 알려진 두 가지 조항을 사용합니다.

  1. 전하가 서로 반발하는 것처럼
  2. 전하는 잠재 에너지가 최소인 곳에서 안정되는 경향이 있습니다.

저것들. 대충 - "물고기는 더 깊은 곳을 본다."

이러한 전극(게이트라고 함)에 양전위를 가하면 어떻게 됩니까? 유전체를 통해 실리콘에 침투하는 게이트에 의해 생성된 전기장은 움직이는 정공을 밀어냅니다. 공핍 영역이 나타납니다. 즉, 다수 캐리어가 없는 일정량의 실리콘입니다. CCD에 일반적인 반도체 기판의 매개변수를 사용하면 이 영역의 깊이는 약 5μm입니다. 반대로, 여기에서 빛의 영향으로 생성된 전자는 게이트로 끌려가 게이트 바로 아래의 산화물-실리콘 경계면에 축적됩니다. 즉, 전위 우물로 떨어지게 됩니다(그림 1).


쌀. 1
게이트에 전압을 인가하면 전위 우물이 형성됨

이 경우 전자는 우물에 축적되면서 게이트에 의해 반도체에 생성된 전기장을 부분적으로 중화시키고 결국에는 이를 완전히 보상할 수 있으므로 모든 것이 전기장유전체에만 떨어지며 인터페이스에 얇은 전자층이 형성된다는 점을 제외하면 모든 것이 원래 상태로 돌아갑니다.

이제 게이트 옆에 또 다른 게이트가 있고 첫 번째 게이트보다 더 큰 양의 전위도 여기에 적용됩니다 (그림 2). 게이트만 충분히 가까우면 전위 우물이 결합되고, 하나의 전위 우물에 있는 전자가 "더 깊으면" 인접한 전위 우물로 이동합니다.
쌀. 2
밀접하게 위치한 두 게이트의 중첩된 잠재적 우물.

전하는 전위 우물이 더 깊은 곳으로 흐릅니다. 이제 게이트 체인이 있는 경우 게이트에 적절한 제어 전압을 적용하여 이러한 구조를 따라 국부적인 전하 패킷을 전송할 수 있다는 것이 분명해졌습니다. CCD의 놀라운 특성(자체 검색 특성)은 모든 길이의 게이트 체인을 제어하려면 단 3개의 클록 라인이면 충분하다는 것입니다. (전자공학에서 버스라는 용어는 도체입니다.전류



, 동일한 유형의 연결 요소, 클록 버스 - 위상 변이 전압이 전송되는 도체.) 실제로 충전 패킷을 전송하려면 세 개의 전극이 필요하고 충분합니다. 하나는 전송, 하나는 수신, 하나는 절연, 분리 서로 수신하고 전송하는 쌍, 그리고 동일한 이름의 이러한 삼중항의 전극은 단일 클록 버스로 서로 연결될 수 있으며 단 하나의 외부 출력만 필요합니다(그림 3).
쌀. 3
가장 간단한 3상 CCD 레지스터.

이는 CCD의 가장 간단한 3상 시프트 레지스터입니다. 이러한 레지스터의 작동에 대한 시계 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 4.





쌀. 4
3상 레지스터를 제어하기 위한 클록 다이어그램은 120도만큼 이동된 3개의 미앤더입니다.
전위가 변하면 전하가 이동합니다.

각 순간의 정상적인 작동을 위해서는 적어도 하나의 클록 버스가 높은 전위를 가져야 하고 적어도 하나는 낮은 전위(장벽 전위)를 가져야 함을 알 수 있습니다. 한 버스에서 전위가 증가하고 다른 버스에서 전위가 감소하면(이전) 모든 충전 패킷이 동시에 인접한 게이트로 전송되고 전체 사이클(각 위상 버스에서 한 사이클) 동안 전하 패킷이 다음 게이트로 전송(이동)됩니다. 하나의 레지스터 요소.

전하 패킷을 가로 방향으로 위치화하기 위해 소위 정지 채널이 형성됩니다. 즉, 전송 채널을 따라 이어지는 주 도펀트 농도가 증가된 좁은 스트립입니다(그림 5).



쌀. 5.
레지스터의 상위 뷰입니다.
측면 방향의 전송 채널은 정지 채널에 의해 제한됩니다.

사실은 도핑 불순물의 농도가 그 아래에 공핍 영역이 형성되는 특정 게이트 전압을 결정한다는 것입니다(이 매개변수는 MOS 구조의 임계 전압에 지나지 않습니다). 직관적인 고려 사항에 따르면 불순물 농도가 높을수록, 즉 반도체에 정공이 많을수록 구멍을 더 깊게 박는 것이 더 어려워집니다. 즉 문턱 전압이 높을수록 또는 한 전압에서 전위가 낮아집니다. 잠재적인 우물에서.

문제

디지털 장치 생산에서 웨이퍼 전체의 매개변수 분산이 결과 장치의 매개변수에 눈에 띄는 영향을 주지 않고 여러 번 도달할 수 있는 경우(작업이 이산 전압 레벨로 수행되기 때문에) CCD에서 다음과 같은 변화가 발생합니다. , 10%의 도펀트 농도는 이미지에서 이미 눈에 띕니다. LSI 메모리와 마찬가지로 크리스털의 크기와 중복성 불가능으로 인해 문제가 추가되어 결함이 있는 부분이 있으면 크리스털 전체를 사용할 수 없게 됩니다.

결론

CCD 매트릭스의 서로 다른 픽셀은 기술적으로 빛에 대한 민감도가 다르므로 이 차이를 수정해야 합니다.

디지털 KMA에서는 이러한 수정을 AGC(자동 이득 제어) 시스템이라고 합니다.

AGC 시스템 작동 방식

단순화를 위해 구체적인 내용은 다루지 않습니다. CCD 노드의 ADC 출력에 특정 전위 수준이 있다고 가정해 보겠습니다. 60 - 중급하얀색.





  1. CCD 라인의 각 픽셀에 대해 기준 백색광으로 조명될 때 값이 읽혀집니다(더 심각한 장치에서는 "검은색 레벨"도 읽혀집니다).
  2. 값은 기준 수준(예: 평균)과 비교됩니다.
  3. 출력값과 기준 레벨의 차이가 각 픽셀마다 저장됩니다.
  4. 나중에 스캔하는 동안 이 차이는 각 픽셀에 대해 보상됩니다.

AGC 시스템은 스캐너 시스템이 초기화될 때마다 초기화됩니다. 아마도 기기를 켰을 때 일정 시간이 지나면 스캐너 캐리지가 앞으로 돌아가는 움직임(흑백 줄무늬를 따라 크롤링)을 수행하기 시작한다는 사실을 눈치챘을 것입니다. AGC 시스템 초기화 과정입니다. 시스템은 또한 램프 상태(노화)도 고려합니다.

또한 컬러 스캐너가 장착된 소형 MFP가 빨간색, 파란색, 녹색의 세 가지 색상으로 "램프를 켜는" 것을 눈치챘을 것입니다.

그러면 원래 백라이트만 흰색으로 변합니다. 이는 RGB 채널에 대해 별도로 매트릭스의 감도를 더 잘 수정하기 위해 수행됩니다. 하프톤 테스트(쉐이딩 테스트)

엔지니어의 요청에 따라 이 절차를 시작하고 조정 값을 실제 조건으로 가져올 수 있습니다. 실제 "전투" 기계에서 이 모든 것을 고려해 보겠습니다. 잘 알려져 있고 대중적인 장치를 기본으로 삼아 보겠습니다.

삼성 SCX-4521 (제록스 Pe 220).

우리의 경우 CCD는 CIS(Contact Image Sensor)가 되지만, 일어나는 일의 본질은 근본적으로 변하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 간단히 말해서 LED 라인이 광원으로 사용됩니다.

그래서:

CIS에서 나오는 이미지 신호는 약 1.2V 레벨을 가지며, 디바이스 컨트롤러(SADC)의 ADC부(SADC)로 공급된다. SADC 이후에는 아날로그 CIS 신호가 8비트 디지털 신호로 변환됩니다.

SADC의 이미지 프로세서는 먼저 톤 보정 기능을 사용한 다음 감마 보정 기능을 사용합니다. 이후 동작 모드에 따라 다양한 모듈에 데이터가 공급됩니다. 텍스트 모드에서는 이미지 데이터가 LAT 모듈로 전송되고, 사진 모드에서는 이미지 데이터가 "Error Diffusion" 모듈로 전송되고, PC-Scan 모드에서는 이미지 데이터가 DMA 액세스를 통해 개인용 컴퓨터로 직접 전송됩니다.

  1. 테스트하기 전에 노출 유리 위에 흰색 종이 몇 장을 놓습니다. 광학 장치, 흑백 스트라이프 및 일반적으로 내부의 스캐너 어셈블리를 먼저 "핥아야" 한다는 것은 말할 필요도 없습니다.
  2. 테크 모드에서 선택
  3. 스캔 후 "CIS SHADING PROFILE"이 인쇄됩니다. 이러한 시트의 예가 아래에 나와 있습니다. 결과의 사본일 필요는 없지만 이미지와 비슷해야 합니다.
  4. 인쇄된 이미지가 그림에 표시된 이미지와 크게 다른 경우 CIS에 결함이 있는 것입니다. 보고서 시트 하단에 "결과: OK"라고 표시되어 있습니다. 이는 시스템에 CIS 모듈에 대한 심각한 불만이 없음을 의미합니다. 그렇지 않으면 오류 결과가 제공됩니다.

프로필 인쇄 예:

행운을 빌어요!!

상트페테르부르크 주립대학교(LSU), 상트페테르부르크 전기기술대학교(LETI) 및 Axl 교사들의 기사 및 강의 자료를 기반으로 합니다.

그들에게 감사드립니다.

V. Schelenberg가 준비한 자료

전하 결합 소자(CCD)는 금속 전극 스트립이 선형 또는 매트릭스 규칙 시스템을 형성하는 방식으로 공통 반도체 기판에 형성된 일련의 간단한 MIS(금속-유전체-반도체) 구조입니다. 전극은 충분히 작습니다(그림 41). 이러한 상황은 장치 작동의 결정 요인이 인접한 MIS 구조의 상호 영향이라는 사실을 결정합니다.

이제 더 큰 진폭의 음전압이 인접한 전극에 적용되면 더 깊은 전위 우물이 형성되고 정공이 그 안으로 이동합니다. 다양한 CCD 전극에 필요한 제어 전압을 적용함으로써 특정 표면 근처 영역에 전하를 저장하는 동시에 표면을 따라(구조에서 구조로) 전하의 방향 이동을 보장할 수 있습니다. 전하 패킷의 도입(기록)은 예를 들어 가장 바깥쪽 CCD 요소(도 41의 전극 1) 근처에 위치한 p-n 접합에 의해 또는 광 생성에 의해 수행될 수 있습니다. 시스템에서 전하를 제거하는 가장 쉬운 방법(판독)은 p-n 접합(그림 41의 전극 n)을 사용하는 것입니다. 따라서 CCD는 외부 정보(전기 또는 광 신호)를 이동통신사의 전하 패킷으로 변환하여 표면 근처에 일정한 방식으로 배치하고 이러한 패킷을 따라 이동하도록 제어하여 정보 처리를 수행하는 장치입니다. 표면. 디지털 및 아날로그 시스템이 CCD를 기반으로 구축될 수 있다는 것은 분명합니다. 디지털 시스템의 경우 특정 CCD 요소에 정공 전하가 있는지 여부만 중요합니다. 아날로그 처리에서는 이동 전하의 크기를 처리합니다.

CCD 작동의 설계와 물리적 특성에 따라 이러한 장치의 매우 흥미롭고 유용한(그리고 종종 고유한) 기능이 결정됩니다.

가장 중요한 것 중 기능적 특징 CCD에는 요금 정보를 저장하는 기능이 포함되어 있습니다. 반도체 결정의 표면을 따라 전하의 방향성 이동 가능성; 변형의 가능성 광속전하로 변환하고 그에 따른 판독(스캐닝)을 수행합니다. CCD의 장점은 낮은 전력 소비(정보 전송 모드에서 5-10μW/bit, 저장 모드에서 에너지 소비가 거의 없음)이며 이는 이러한 장치의 MIS 구조 때문입니다. 구성의 단순성과 CCD 요소 시스템의 규칙성은 이러한 장치의 성능이 매우 높을 수 있다는 사실로 이어집니다(특별히 설계된 샘플의 경우 최대 클록 주파수는 기가헤르츠 범위에 있음).

아마도 훨씬 더 중요한 것은 CCD의 설계 및 기술적 장점일 것입니다. 그 중 가장 중요한 것은 기술적 명확성과 단순성(장치 제조 시 소수의 포토리소그래피, 열 확산 및 에피택셜 공정)입니다. 이는 고품질 멀티를 생성하기 위한 전제 조건입니다. -요소 장치(요소 수 10 4 -10 6) 장치; 높은 수준의 통합(한 칩에 10 5 요소 초과) 및 높은 패킹 밀도(10 5 비트/cm 2 이상); 신뢰성이 높은 시스템을 구축할 때 결정적인 역할을 하는 소수의 외부 핀; p-n 접합이 없습니다(CCD의 몇 가지 p-n 접합은 "보조" 기능을 수행하고 다소 "약한" 요구 사항을 따릅니다). 이는 특히 다른 반도체 재료(예: 갈륨 비소)를 사용할 수 있는 폭넓은 기회를 열어줍니다. ) 실리콘과 함께.

이러한 모든 속성은 다양한 CCD 응용 분야에 대한 광범위한 전망을 열어줍니다.

디지털 기술의 경우 시프트 레지스터, 랜덤 액세스 메모리 및 논리 회로가 관심 대상입니다. CCD의 아날로그 신호 지연 라인 기술 사양음향 및 자기 대응 제품보다 훨씬 우수합니다.

광전자 이미지 변환 기술에서 CCD는 진공이 없는 반도체 비디오 신호 형성 장치를 만드는 근본적이고 새로운 기회를 열어줍니다. 고유한 자체 스캔 기능 덕분에 전자 빔 스캐닝 기능을 갖춘 부피가 크고 신뢰할 수 없는 고전압 진공관이 필요하지 않습니다. CCD는 CRT의 고유한 유사체로서 질량 감소와 동시에 전체 치수, 전력 소비는 비디오 신호 형성기의 신뢰성과 품질을 향상시킵니다. CCD 기반 광검출기의 또 다른 장점은 전자기 스펙트럼의 넓은 영역(IR 영역 포함)을 포괄하는 다양한 반도체 재료를 사용할 수 있다는 근본적인 가능성입니다.

CCD를 기반으로 한 전송 텔레비전 카메라의 개발은 미래에 장비에 신뢰할 수 있는 "전자 눈"을 장착할 뿐만 아니라(인간을 위한 인공 시각 장치를 만드는 프로젝트에서 초점도 CCD에 맞춰져 있음) 일상 생활에서 텔레비전이 실제로 널리 사용되는 것입니다.

이미지를 전달하는 광속이 다중 요소 또는 매트릭스 CCD로 향하면 전자-정공 쌍의 광생성이 반도체 볼륨에서 시작됩니다. CCD의 공핍 영역에 들어가면 캐리어가 분리되고 정공이 전위 우물에 축적됩니다(그리고 축적된 전하의 양은 국부 조명에 비례합니다). 이미지 인식에 충분한 시간(수 밀리초 정도)이 지나면 조명 분포에 해당하는 전하 패킷 패턴이 CCD 매트릭스에 저장됩니다. 클록 펄스가 켜지면 충전 패킷이 출력 판독기로 이동하여 전기 신호로 변환됩니다. 결과적으로 출력은 비디오 신호가 제공하는 엔벨로프인 다양한 진폭을 갖는 일련의 펄스가 됩니다.

이를 바탕으로 사진전신 장치와 전송 카메라(최대 풀 포맷 컬러 텔레비전 카메라)가 생성됩니다. 앞으로 CCD는 병렬 정보 처리 기능을 갖춘 초고성능 광전자 컴퓨터에서 편리한 매트릭스 광검출기로 사용될 것입니다.

CCD(1969)의 출현은 MIS 장치의 물리학 및 기술 분야 연구의 결과였습니다. 이러한 반도체 기술의 새로운 방향에 대한 개발은 많은 과학팀에 의해 수행되고 있습니다. 다른 나라세계적으로 매우 눈에 띄는 결과가 이미 달성되었습니다.

샘플링 시간이 64-200μs이고 정보 출력 속도가 1-5MHz인 8192, 16384 및 65536비트 용량의 고속 단일 칩 CCD 메모리 장치가 생성되었습니다. 16K(킬로비트) 용량의 크리스털을 기반으로 256비트의 블록 샘플링을 갖춘 1Mbit 용량의 메모리가 설계되었습니다. 컬러 텔레비전 시스템에 사용하기 위해 128비트 용량의 광대역 아날로그 신호 지연 라인이 개발되었습니다. CCD 상관기가 테스트되어 1% 미만의 총 오류로 40,000개의 이산 신호 값을 동시에 처리할 수 있습니다.

다수의 미국 회사(주로 Bell 및 RCA)가 해상도 요소 수 200X200 및 500x500을 사용하여 텔레비전 카메라를 전송하는 산업 생산 시작에 대한 수많은 보고서가 있습니다.

동시에, 도중에 그것을 눈치 채지 않을 수는 없습니다. 광범위한 사용 CCD는 여전히 해결되지 않은 많은 문제에 직면해 있습니다. 무엇보다도 기술적 문제: 유전체 필름의 구멍과 전극 버스의 단락으로 인해 여전히 높은 출력 비율과 충분히 큰 정보 용량을 갖춘 결함 없는 CCD를 자신있게 얻을 수 없습니다. . 단일층 금속화로 대형 CCD를 만드는 데 있어 가장 중요한 기술적 문제는 전극 사이의 좁은(2~3μm) 간격을 얻는 문제입니다. 이러한 구조의 주요 기술적 결함은 단락입니다. 다층 실리콘 게이트 구조에서는 모든 폴리실리콘 층 사이에 고품질의 절연 유전체를 얻기가 어렵습니다.

결론적으로, 전하 결합 장치, 특히 광전자 장치를 기반으로 한 장치의 생성은 대형 집적 회로 개발의 중요한 단계이자 기능성 마이크로 전자 공학을 향한 첫 번째 실제 단계 중 하나라는 점에 주목하고 싶습니다.

전하결합소자(CCD)는 기판 게이트(MCS 구조)와 밀접하게 위치하고 분리된 다수의 반도체 소자로, 소스에서 주입되거나 기판에서 발생하는 소수 전하 캐리어의 정보 패킷 아래에 있습니다. ~로부터 - 광학 복사 흡수용.

많은 게이트를 가진 MOS 트랜지스터의 구조로 표현될 수 있는 3주기 시프트 레지스터 회로의 예를 사용하여 CCD의 작동 원리를 고려해 보겠습니다(그림 5.9). 이 장치는 세 부분으로 구성됩니다.

첫 번째 - 입구 부분 – 다음과 같은 소스가 포함되어 있습니다. 피 + - 확산에서 홀의 이동을 제어하는 ​​핵심 역할을 하는 입력 게이트와 그 아래 영역 피 +- 소스 영역을 첫 번째 잠재적 우물에 넣습니다.

두번째 - 환승 구간 – 실리콘-이산화규소 경계면에서 전위를 제어하는 ​​일련의 게이트로 구성됩니다. 이 게이트는 두 개를 통해 서로 연결됩니다. 전송 섹션의 게이트 전압은 다양한 진폭의 펄스 형태를 취하며 순환 순열로 서로 대체됩니다(그림 5.9, 비 – 디). 게이트의 전압이 변경되면 전위 우물이 장치의 출력으로 이동하여 전하 캐리어 패킷(홀)을 끌어옵니다.

세 번째 - 출력 섹션 – 포함 р-n- 배수 전환. 이 접합은 반대 방향으로 이동하며 접근하는 잠재적 우물에서 구멍을 추출하도록 설계되었습니다(그림 5.9, G).

초기 작동 사이클에서 입력 게이트() 아래에 전도 채널을 형성하기에 충분한 전압이 입력 게이트에 적용된다고 가정합니다. 이 경우 전송 섹션의 첫 번째 게이트에 충분히 큰 음의 전압이 있는 경우, 즉 전송 섹션의 첫 번째 게이트 아래에 정공에 대한 깊은 전위 우물이 있는 경우 정공은 소스에서 나와 입력 게이트 아래의 채널을 통과하여 전송 섹션의 첫 번째 게이트 아래의 전위 우물에 축적됩니다( 그림 5.9, 6 ).

입력 게이트의 전압은 전송 섹션의 게이트 전압을 변경하는 다음 단계가 시작될 때 제거됩니다. 따라서 입력 게이트 아래의 전도성 채널이 사라집니다. 이는 소스로부터 주입된 결과로 첫 번째 게이트 아래의 전위 우물에 축적된 정공의 특정 전하에 해당하는 정보(예: 논리 단위)가 기록되는 방식입니다.

논리 0에 해당하는 정보를 기록하려면 입력 게이트에 음의 전압이 인가되어서는 안 됩니다. 이 경우 구멍이 주입되지 않습니다. 피 + - 첫 번째 게이트 아래의 전위 우물에 대한 소스 영역(그림 5.9, 디) 그리고 전하 운반체의 열 생성이나 장치 작동의 이전 주기 동안 전위 우물이 불완전하게 비워지는 것과 관련하여 상대적으로 작은 정공 전하만 있을 수 있습니다.

전송 섹션의 게이트 전압을 변경한 후 가장 음의 전압이 두 번째 게이트에 있으므로 홀 패키지는 전송 섹션의 두 번째 게이트 아래 전위 우물로 이동합니다(그림 5.9, 다섯). 전송 섹션의 게이트에서 다음 전압 변경 주기 동안 홀 패킷은 출력 섹션을 향해 더욱 전진합니다(그림 5.9, 지, 디).

잠재적인 구멍이 접근하는 경우 피-N-드레인 접합, 전하 캐리어가 없습니다. - 정공, 그러면 드레인 회로의 전류 변화가 없습니다. 그리고 구멍이 있는 잠재적인 우물이 접근하는 경우에만 р-n-드레인 접합, 이러한 홀의 추출이 발생하고 전류 펄스가 드레인 회로를 통과하거나 드레인의 전압이 변경됩니다(그림 5.9, G).

CCD는 일반적으로 동적 장치이며 더 낮은 및 상한 s는 전송 섹션에 전력을 공급하는 전압 펄스의 클록 주파수입니다.

하한 클록 제한 표면의 전위 우물 사이에 있다는 사실에 의해 결정됩니다.
코어와 나머지 반도체 볼륨은 전하 캐리어의 열 생성과 관련된 전류를 전달하며 원칙적으로 역추출 전류와 다르지 않습니다. р-n-이행. 이러한 전류는 논리 0 레벨에 영향을 미쳐 빈 전위 우물의 정공 전하를 증가시킵니다. 반도체의 온도와 특성에 따라 빈 전위 우물에 눈에 띄는 정공 축적이 수백 분의 1초에서 몇 초 사이에 발생할 수 있습니다. 따라서 CCD 클럭 주파수의 하한은 일반적으로 수십 킬로헤르츠 단위입니다.

클럭 상한 하나의 전위 우물에서 다른 전위 우물로의 전하 흐름 시간(약 몇 나노초)에 의해 결정됩니다. 더 짧은 시간에 전체 충전량은 하나의 잠재적 우물에서 인접한 우물로 이동할 시간이 없습니다. 따라서 CCD의 클럭 주파수 상한은 일반적으로 수십 메가헤르츠로 결정됩니다.

현재까지 CCD를 사용하는 세 가지 주요 영역이 나타났습니다.

1) 저장 장치

2) 이미지를 전기 신호로 변환하는 장치;

3) 아날로그 정보처리기기.

저장장치

작동 원리에 따라 CCD는 지연선 유형의 메모리 장치입니다. 이를 기반으로 정보의 순차적 입력 및 출력을 갖춘 디지털 시프트 레지스터가 생성되었습니다.

이러한 CCD 저장 장치에서는 재생을 통해 정보가 지속적으로 순환합니다. 빈 잠재적 우물 수준을 복원합니다. 레지스터에 액세스할 때 기록된 정보는 재생성 여부에 관계없이 샘플링됩니다. 기록된 정보를 비파괴적으로 읽거나 파기합니다.

영상을 전기신호로 변환하는 장치

이러한 장치의 작동 원리는 표면 근처의 반도체에서 CCD가 조명될 때 게이트 아래의 전위 우물의 전기장에 의해 분리되는 전자-정공 전하 캐리어 쌍이 형성된다는 사실에 기초합니다. 환승 구간.

광양자를 흡수하는 동안 형성된 캐리어는 CCD의 주어진 영역의 조명에 비례하여 전위 우물을 채웁니다. 그런 다음 기록된 조명 정보를 일반적인 방법으로 이동하면 CCD 출력의 신호가 조명 분포를 반복합니다. 이미지 라인이 강조 표시됩니다. 다음 줄을 강조 표시하는 등의 작업도 가능합니다. 현재 컬러 TV를 포함하여 해상도 측면에서 일반적인 TV 표준에 도달하는 CCD가 있는 전송 카메라가 만들어졌습니다.

아날로그 정보처리기기

CCD에도 아날로그 신호를 저장할 수 있지만 이 경우 기록된 정보를 재생성하는 것은 불가능합니다. 그러나 간단한 암기는 CCD 사용에 대한 큰 가능성을 열어줍니다. 이러한 장치를 사용하면 정보 전송 지연을 조정할 수 있기 때문입니다. 아날로그 정보 처리를 위해 CCD를 사용하는 가장 간단한 옵션은 컬러 TV 수신기의 고정 지연 라인으로 밝혀졌습니다.

전하결합소자(CCD)는 다음과 같은 집합체입니다. 큰 수상호작용하는 MIS 구조를 통해 전자의 전하 패킷이 소스에서 드레인으로 전달될 수 있습니다(그림 5.19). MIS 구조의 수는 수천에 달할 수 있습니다. 각 게이트의 길이는 약 10μm이고 게이트 사이의 거리는 약 2μm입니다. CCD의 작동 원리는 MIS 구조의 비정상 프로세스를 기반으로 합니다.

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이웃 영역과 분리된 MIS 구조의 게이트 아래에서 발생하는 프로세스를 고려해 보겠습니다. 지금 이 순간이라면 t 0게이트 전압을 갑자기 변경하십시오. 유 지= 0 ~ 유 지 > 당신은그런 다음 게이트 아래에서 매우 짧은 시간 내에(유전 완화 시간 정도) 두께 Do의 공핍층이 형성되고, 이 층에서 게이트 필드의 작용에 따라 홀이 제거됩니다. 이 층은 전자의 전위 우물입니다. 전위 우물의 깊이가 클수록. 너 지.공핍층 내부의 반도체 표면에 수직인 방향의 전위 분포는 그림 1에 나와 있습니다. 5.20.

시간이 지남에 따라 상대적으로 느리고 제어되지 않는 전하 캐리어의 열 생성 과정이 게이트 아래에서 발생합니다. 이 경우 형성된 정공은 게이트 전계에 의해 게이트 영역 밖으로 밀려나고 게이트 아래에는 음전하가 축적되어 표면 전위가 감소합니다. Φs공핍층의 두께와 Δ . 어느 순간에 t 2표면 전위가 같아진다 , 그 후 역채널이 표면에 형성되기 시작합니다.

유용한 신호에 대한 정보를 전달하는 전하 패킷을 형성하기 위해 소스와 기판 사이의 p-n + 접합(입력 다이오드)과 입력 게이트 3 입력으로 구성된 입력 장치가 사용됩니다. 반도체 결정의 표면을 따라 전하 패킷을 전송하기 위해 두 개를 통해 서로 연결된 게이트에 스텝 전압을 인가합니다(그림 5.21). 전하 패킷을 출력 신호로 변환하기 위해 p-n + 접합(출력 다이오드)이 드레인과 기판 및 출력 게이트 Z out 사이에 사용됩니다. CCD에서 전하 패킷의 형성, 전송 및 판독 프로세스는 그림 1의 다이어그램에 설명되어 있습니다. 5.19는 다양한 시간 간격으로 구조를 따른 표면 전위 분포를 보여줍니다.


간격을 초기 간격으로 삼자 τ 0 어느 당신 1- 0, 너 2- 0, u 3 = 및 x р = 10-15V. 이러한 조건에서 잠재적 우물은 이전에 형성된 전하 패킷이 저장되는 게이트 3과 6 아래에 존재합니다. 일부 잠재적인 구덩이에는 이러한 패키지가 없을 수도 있습니다. 이 간격의 소스 전위는 기판의 n + 영역과 ir 영역 사이의 접촉 전위차와 동일합니다. 배수 전위는 높으며 다음과 같습니다. ∅ ~에 = ∅k0+u,어디 그리고 -전원으로부터 역전압이 인가됨 E i.p저항기를 통해 Rn.

간격에는 τ 1충전 패킷은 첫 번째 게이트 아래에 형성되고, 전하 패킷은 세 번째 게이트 아래에서 네 번째 게이트로 전송되고, 전하 패킷은 여섯 번째 게이트 아래에서 판독됩니다.

전하 패킷을 형성하기 위해 첫 번째 게이트에 전송 전압을 인가합니다. 너 차선= 20-25 V, 소스에 음의 전압 펄스가 적용되어 입력 다이오드가 순방향으로 켜지고 제어 양의 신호 전압이 입력 게이트에 적용되어 결과적으로 전자가 입력 아래에 주입됩니다. 게이트를 통과한 다음 첫 번째 셔터 아래 더 깊은 전위 우물로 전달됩니다. 충전 패킷의 크기는 신호 전압과 제어 펄스 지속 시간에 따라 달라집니다. 신호 전압이 0이면 충전 패킷이 형성되지 않습니다.

3번째 게이트 아래에서 4번째 게이트로 전하 패킷이 전달되는 것은 4번째 게이트에 전달 전압이 공급되기 때문이다. 당신 1= 너 차선, 이는 저장 전압보다 크다. u 3 = 그리고 x р세 번째 게이트에 작용하여 네 번째 게이트 아래의 전위 우물이 세 번째 게이트 아래보다 더 깊은 것으로 나타났습니다. 따라서 충전 패킷은 네 번째 게이트 아래의 더 깊은 전위 우물로 이동합니다.

정보 판독은 출력 게이트에 양의 전압 펄스가 적용되고 마지막 (6 번째) 게이트 아래보다 더 깊은 전위 우물이 그 아래에 형성되어 전자가 출력 게이트 아래로 통과 한 다음 드레인으로 전달된다는 사실로 인해 발생합니다. . 드레인 회로에는 전류 펄스가 나타나고 회로 출력에는 음의 전압 펄스가 나타납니다. 마지막 게이트 아래에 패키지가 없으면 드레인 회로의 전류는 0입니다.

간격에는 τ 2충전 패킷은 게이트 1과 4 아래에 저장됩니다. τ 3충전 패킷은 게이트 2와 5 아래로 이동합니다. τ 4충전 패킷은 게이트 2와 5 아래에 저장됩니다. τ 5충전 패킷은 게이트 3과 6 아래로 이동합니다. τ 6충전 패킷은 간격과 동일한 방식으로 게이트 3과 6에 저장됩니다. τ 0 . 그런 다음 프로세스가 반복되고 전하 패킷이 반도체 결정의 표면을 따라 순차적으로 이동합니다.

CCD는 일반적으로 동적 장치이므로 클록 주파수에 대한 하한 및 상한이 있습니다.

클록 주파수의 하한은 제어되지 않은 전자로 전위 우물을 채우는 방식으로 결정됩니다. 반도체의 온도와 특성에 따라 빈 전위 우물에 눈에 띄는 전자 축적이 수백 분의 1에서 몇 초 사이에 발생할 수 있습니다. 전하 패킷의 허용 가능한 저장 시간을 늘리려면 전하 캐리어가 생성되는 트랩의 농도, 온도 등을 줄이십시오. CCD 클록 주파수의 하한은 30~300Hz 범위에 있습니다.

클록 주파수의 상한은 전하가 하나의 전위 우물에서 다른 전위 우물로 흐르는 데 걸리는 시간에 따라 결정됩니다. 이 시간은 수 나노초입니다. 더 짧은 시간에 충전 패킷은 하나의 잠재적 우물에서 다른 우물로 이동할 시간이 없습니다. 따라서 클록 주파수의 상한은 수십 메가헤르츠이다.

고려된 작동 원리에 따르면 CCD는 클록 펄스의 주파수를 변경하여 지연 시간을 조정할 수 있는 지연 라인 유형 메모리 장치이므로 CCD를 컴퓨터 저장 장치로 사용할 수 있습니다. CCD를 기반으로 복잡한 처리 장치를 구축할 수 있습니다. 디지털 신호, 담당 양식으로 제시됩니다. 현재 미세 회로는 신호의 합산, 빼기, 곱셈, 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환을 위해 CCD를 사용하여 생성되었습니다. CCD는 아날로그 신호를 저장할 수도 있습니다. 이를 위해서는 충전 패킷 크기의 가치가 적절한지 확인해야 합니다. 아날로그 신호, 개략적으로 구현하는 것은 어렵지 않습니다.

전하 패킷의 형성은 앞서 언급한 주입을 사용하는 것뿐만 아니라 MIS 구조가 생성되는 결정의 표면을 조명함으로써 수행될 수 있습니다. 이는 이미지를 전기로 변환할 목적으로 텔레비전에 적용되는 것으로 나타났습니다. 신호. 이러한 CCD의 작동 원리는 CCD가 조명될 때 전자의 전하 패킷이 CCD의 해당 섹션의 조명에 비례하여 게이트 아래 전위 우물에 형성된다는 사실에 기초합니다. 그런 다음 일반적인 방법으로 전하 패킷을 이동하면 CCD 출력의 신호는 MIS 구조의 수평 체인을 따라 조명 분포를 반복합니다. 이러한 수평 체인의 수는 전송된 텔레비전 이미지의 라인 수와 동일해야 합니다.

현재 게이트에 3상 전원을 공급하는 CCD에 비해 더 발전된 장치가 개발되었습니다. 여기에는 플로팅 게이트 구조 기반 CCD, MNOS 구조 기반 CCD, 숨겨진 채널 및 2단계 제어 기능이 있는 CCD 등이 포함됩니다. 이러한 종류의 장치에서는 제조 기술을 단순화하고 게이트 간 거리를 줄이는 것이 가능했습니다. 정보 저장 시간은 수만 시간에 이릅니다.

보안 질문

1. 절연 게이트가 있는 전계 효과 트랜지스터와 제어 p-n 접합이 있는 트랜지스터의 차이점은 무엇입니까?

2. 임계 전압이란 무엇이며 무엇에 의존합니까?

3. 포화 전압이란 무엇이며 무엇에 의존합니까?

4. 제어 및 출력특성을 그려 설명하라. 전계 효과 트랜지스터.

5. 전계 효과 트랜지스터의 차동 매개변수가 어떻게 결정되는지 보여주십시오.

6. 전계 효과 트랜지스터의 등가 회로를 그리고 설명하십시오.

8. 전계 효과 트랜지스터의 주파수 범위와 속도를 제한하는 물리적 현상은 무엇입니까?

9. 전계 효과 트랜지스터가 펄스 모드에서 작동할 때 전류와 전압의 타이밍 다이어그램을 그리고 설명하십시오.

10. 전계효과 트랜지스터의 상호컨덕턴스와 바이폴라 트랜지스터의 상호컨덕턴스를 비교하십시오.

11. 전하결합소자의 작동원리를 설명하라.



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