Ядерная электроника - Цитович А.П.
Скачать (прямая ссылка):
Принцип действия ПЗС поясняется на рис. 8.13,а, где изображен трехфазный прибор с поверхностным каналом; он состоит из большого числа ячеек, выполненных по структуре МДП — металл — диэлектрик — полупроводник. На кремниевой подложке /г-типа (п-Si) нанесены диэлектрик (БЮг) и металлические электроды, расстояние между которыми очень мало (1—2 мкм). Электроды соединены с тремя шинками, на которые подается трехфаз-
370
Рис. 8.13. ПЗС трехфазного типа с поверхностным каналом (а) и трехфазная последовательность управляющих импульсов (б)
ная последовательность отрицательных импульсов (рис. 8.13,6). Когда к одному электроду приложено отрицательное напряжение, то под действием электрического поля основные носители заряда в подложке — электроны уходят от поверхности в глубь полупроводника. Под электродом образуется область, обедненная основными носителями заряда и представляющая собой потенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Приложенное к шинкам импульсное трехфазное напряжение (Uu U2, Uz) последовательно продвигает потенциальную яму от электрода к электроду.
При облучении подложки ионизирующим излучением генерируются пары электрон-дырка и неосновные носители накапливаются в потенциальных ямах. С помощью управляющих импульсов накопленные заряды продвигаются в сторону выходного электрода, с которого считываются сигналы.
Рассмотренный прибор позволяет измерять распределение потока излучения по одной координате. Для определения распределений в плоскости ПЗС выполняется в виде матрицы (рис. 8.13,в), в которой электроды соединены последовательно вдоль строк. Накопленная информация в виде зарядов продвигается управляющими импульсами Uu U2y Uz сверху вниз. С последних электродов каждого столбца она поступает на нижнюю схему, продвигающую ее с помощью импульсов U'u Ur2, U'z слева направо к считывающему электроду. Частоты трехфазных импульсов Uu U2, Uz и U'u Uf2, Urz отличаются в К раз (где К— число элементов в строке), так как новая строка может быть подана на нижнюю схему только после считывания всех элементов предыдущей строки.
Была рассмотрена упрощенная структура ПЗС. В реальных приборах для повышения эффективного времени накопления информации делают две матрицы. На первой матрице информация накапливается, а затем быстро построчно передается во вторую, где хранится и откуда поэлементно считывается.
371
Кроме трехфазных ПЗС с поверхностным каналом используют и приборы других типов, отличающиеся как структурой, так и способами управления. В приборах с объемными каналами подложка состоит из двух слоев кремния с разными типами проводимости и создаются условия, при которых потенциальные ямы располагаются в полупроводниковом слое на расстоянии нескольких микрометров от поверхности раздела диэлектрик—кремний. Ниже будет показано, что по некоторым параметрам эти приборы превосходят ПЗС с поверхностным каналом.
В других приборах типа «пожарная цепочка» для образования потенциальных ям формируются диффузионные или ионно-имплантированные p-области. Управляются эти приборы двухфазной последовательностью импульсов.
При работе ПЗС в качестве координатно-чувствительных детекторов важно, чтобы они обладали высокой чувствительностью к исследуемому излучению, были достаточно радпацнопио стойкими и имели хорошее пространственное разрешение. Сравнение разных типов детекторов, применяемых для исследования низкоэнергетического рентгеновского излучения, показывает, что ПЗС обладают рядом преимуществ. Так, их чувствительность на 2—3 порядка выше, чем у фотопленок, и у приборов с объемным зарядом на порядок выше, чем у фотодиодных матриц. У них также значительно шире, чем у фотопленок, динамический диапазон; пространственное разрешение лучше, чем у фотодиодных матриц. Радиационная стойкость лучших ПЗС на 1—2 порядка выше, чем у матрицы из p — i=п диодов.
Пространственное разрешение ПЗС определяется геометрическими размерами чувствительной ячейки, которые не превышают 10—20 мкм, что соответствует разрешающей способности 25— 50 линий/мм. Предельное разрешение может достигать 150— 200 линий/мм. Такое высокое разрешение особенно важно для преобразования оптической информации, когда на матрицу проецируется при помощи объектива оптическое изображение. Размеры чувствительной области ПЗС при числе элементов 250X200 составляют всего 5x4 мм. Поэтому координатно-чувствительный детектор большей площади необходимо выполнять из нескольких элементов.
На точность измерений малых интенсивностей излучения, лежащих вблизи порога чувствительности, большое 'влияние оказывают темновые токи, неравномерно распределенные в приборе. Они образуются как в объеме полупроводника, так и на границе диэлектрик—полупроводник из-за тепловой генерации носителей заряда. Неосновные носители попадают в потенциальные ямы и проявляются как геометрический шум, уменьшающий чувствительность. Для снижения уровня тепловых токов ПЗС охлаждают.
Важными параметрами ПЗС, используемых в координатно-чувствительных детекторах, являются: максимальное время интегрирования потока излучения и предельная тактовая частота управляющих импульсов. Большое время интегрирования позволяет в случае малой интенсивности излучения увеличить экспозицию и накопить в потенциальных ямах заряды, достаточные для измерения распределения потока. Иссчедования показывают, что максимальное время иитегри-
