Механизмы переноса сигнального заряда в ПЗС

Процесс переноса сигнального заряда в ПЗС определяется тремя основными физическими механизмами: термической диффузией, самоиндуцированным дрейфом и дрейфом в краевых электрических полях.

Для относительно малых зарядовых пакетов доминирующим механизмом переноса является термодиффузия. В этом случае полный заряд, оставшийся под электродом, из-под которого осуществляется перенос, к моменту времени t от начала переноса экспоненциально уменьшается со временем.

Стекание относительно больших (сравнимых с полной глубиной потенциальной ямы) зарядовых пакетов происходит за счет самоиндуцированного дрейфа, обусловленного простым электростатическим расталкиванием инверсионных электронов. Возникающее при этом продольное (направленное параллельно границе с окислом) электрическое поле пропорционально градиенту поверхностной плотности сигнального заряда. В результате сигнальный заряд уменьшается во времени по гиперболическому закону.

Оказывается, что и в отсутствие сигнального заряда под электродом переноса на границе с окислом существует определенное продольное электрическое поле. Это так называемое краевое поле, для вычисления которого необходимо учитывать двумерный характер распределения потенциала в обедненном слое ПЗС-структуры, обусловлено влиянием потенциалов на соседних электродах. Величина краевых полей зависит от толщины слоя окисла, длины электродов, уровня легирования и амплитуды тактовых напряжений. Ясно, что на последних стадиях процесса переноса, когда оставшаяся под электродом часть сигнального заряда становится настолько малой, что само индуцированное поле оказывается меньше краевого, именно последнее определяет динамику стекания оставшихся малых порций сигнального заряда.

Рассмотренные выше механизмы переноса называются моделью переноса свободных зарядов. Эта модель справедлива при сравнительно высоких тактовых частотах и дает разумную оценку предельных тактовых частот ПЗС, превышение которых приводит к резкому снижению эффективности переноса. Так, например, для ПЗС с длиной затворов ~10 мкм и при типичных значениях остальных параметров для обеспечения эффективности переноса не ниже 99,99 % тактовая частота не должна превышать нескольких десятков мегагерц.