Принципиальное устройство МОП-конденсатора. Фотоэффект в МОП-конденсаторе

МОП - металл-оксид-полупроводник
Принцип работы МОП-конденсатора.Конструкция отдельного МОП-конденсатора у каждого производителя своя, но заложенный в неё принцип - одинаков. Свет (фотоны), попадая через изолятор на кремниевый канал n-типа, выбивает оттуда электроны, которые собираются в зоне потенциальной ямы - "карман n-типа" (потенциальная яма - зона с пониженной потенциальной энергией). Затем накопленные заряды считываются, то есть преобразуются в серию электрических импульсов. Чем больше была овещенность конденсатора, тем больше электронов будет собрано в потенцильной яме и тем больший заряд будет в ней накоплен.
Принципиальное утройство МОП-конденсатора. На полупроводниковой подложке (например, p-типа продимости; может быть и полупроводник с n-проводимостью) формируется тонкий 0,1-0,15 мкм слой диэлектрика (обычно оксид), на который наносится проводящие электроды (из металла или сильно легированного поликристаллического кремния).
Для придания зарядам движения вдоль регистра с обеих сторон канала переноса создают стоп-каналы - области, легированные более сильно, чем кремний в самом канале переноса. Потенциальная яма в стоп-канале не возникает, и пакет зарядов не расплывается.
Сразу после приложения напряженя основные носители (в нашем случае дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходит от поверхности, образуется приповерхностный обеднённый носителями заряда слой и потенциальную яму у поверхности электрода. ПЗС функционирует, используя нестационарное состояние МОП-структуры. Так как скорость термогенерации носителей заряда мала, потенциальную яму МОП-структуры можно использовать для накопления и временного хранения сигнальных зарядовых пакетов, хранящих информацию.
Вследствие процессов термогенерации к хранящемуся в потенциальной яме сигнальному (информационному) заряду добавляется паразитный термогенерируемый заряд. Этот заряд в основном обусловлен термогенерацией электронно-дырочных пар на поверхности в обеднённом слое и, в значительно меньшей степени, диффузией неосновных носителй заряда из нейтральных областей, примыкающих к обеднённому слою. Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает информационный. Максимальное время накопления и хранения зарядов определяется свойствами полупроводника, допустимой степени ошибки измерения, но самое главное - температурой ПЗС. Поэтому ПЗС высокого качества охлаждаются чаще всего с помощью встроенных полупроводниковых холодильников.
Если ПЗС осветить, то, поглащаемые в полупроводнике фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обеднённом слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника. Зарядовый пакет, накапливаемый в каждом элементе пропорционален усреднённому по площади светочувствительного элемента потоку фотонов, времени накопления и квантовой эффективности, которая, учитывая отражение и поглощение света, составляет 0,2-0,4.
МОП-конденсаторы имеют определённую область спектральной чувствительности, то есть область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в зарядовые пакеты. Длинноволновая её граница для кремния составляет 1,1 мкм (1100 нм). Коротковолновая - 0,4-0,5 мкм (400-500 нм.)
Ортогональная структура ПЗС матрицы содержит, как правило, от ~10 в 5той (256х512) до ~10 в 6той (1024х2048) ячеек (пикселов). Размер каждой ячейки в различных ПЗС матрицах колеблется в от 5 до 15 мкм, а расстояние между ними составляет 0,1-1,0 мки. Таким образом, общий размер матрицы обычно не превышает 1 см (диагональ).
Каждая ячейка (пиксель) состоит из нескольких МОП структур, служащих для детектирования (накопления заряда за счёт фотоэффекта), хранения накопленного заряда и его дальнейшей транспортировки.