Изобретение относится к микроэлектронике, а более конкретно к приборам с зарядовой связью (ПЗС), предназначенным для преобразования и обработки сигналов.
Известны ячейки ПЗС, содержащие элементы хранения и переноса (считывания) заряда. Для считывания весь хранимый заряд переносится в элементы переноса и затем подвергается дальнейшей обработке - последовательному переносу. При этом полный заряд, накопленный в элементе хранения, состоит из двух частей: информационный заряд (сигнал), относительная величина которого может быть сравнительно небольшой, и слабо меняющийся от ячейки к ячейке дополнительный ("фоновый") заряд, не несущий информацию. В ряде случаев относительная доля фонового заряда может быть значительной.
Недостатком известных ячеек является низкая чувствительность считывания, связанная с большим избыточным шумом, возникающим при считывании большого полного заряда, а также с необходимостью увеличения размеров элементов переноса (для большого заряда) и, следовательно, уменьшения размеров элементов хранения. При этом уменьшается по абсолютной величине и сам полный заряд, а значит, еще меньше становится его информационная часть, которая может оказаться просто утерянной.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является ячейка прибора с зарядовой связью, содержащая МДП-элемент хранения, окруженный каналоограничивающей областью, и элемент переноса заряда.
Однако чувствительность при считывании данной ячейки недостаточна, так как часть площади ячейки занимает элементы цепи вычитывания фона. Это приводит к уменьшению абсолютной величины обрабатываемого заряда, который может сделаться меньше уровня шума.
Целью изобретения является повышение чувствительности.
Цель достигается тем, что в ячейке прибора с зарядовой связью, содержащей МДП-элемент хранения, окруженный каналоограничивающей областью, и элемент переноса заряда, полупроводник в элементе хранения по крайней мере вблизи поверхности содержит высокоомную область того же типа проводимости, а каналоограничивающая область снабжена электрическим контактом, расположена в высокоомной области и имеет противоположный тип проводимости.
Кроме того, каналоограничивающая область на границе с элементом переноса заряда имеет разрыв, ширина которого не превосходит толщину слоя обеднения в высокоомной области.
При таком выполнении элемент хранения работает на основных носителях заряда, а чувствительность считывания увеличивается потому, что ячейка обеспечивает вычитание фона, но не требует для этого дополнительных элементов цепи вычитания: роль цепи вычитания фона играет сама каналоограничивающая область.
На фиг. 1 показаны две смежные ячейки ПЗС, поперечное сечение; на фиг. 2 - вариант ячейки из элементов хранения и переноса; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1.
Элементы 1 хранения смежных ячеек расположены на полупроводниковой подложке 2, например кремниевой, которая может быть сравнительно низкоомной (10 - 20 Ом˙см) и имеет для определенности р-тип проводимости, на котором имеется высокоомная область 3 того же типа проводимости, т. е. р-типа. Область 3 может быть полупроводником, близким к собственному, либо компенсированным, ее удельное сопротивление, например, ≈50 - 150 кОм ˙ см. Поверх области 3 лежит слой 4 диэлектрика, например двуокиси кремния, толщиной 150 нм. На слое 4 расположены полевые электроды S элементов хранения, выполненные, например, из поликристаллического кремния с поверхностным сопротивлением 20 Ом/□ .
Элементы 1 разделены каналоограничивающей областью 6 в виде полосы. Область 6 низкоомная и имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости области 3. К области 6 имеется электрический контакт 7, выполненный, например, в виде алюминиевой пленки и контактного окна.
В разновидности предложенной ячейки, соответствующей пункту 2 формулы, на участке 8 высокоомной области 3 выполнен разрыв 9 области 6. Ширина разрыва 9 составляет в типичном случае от единицы до десятков микрометров. Кроме элемента 1 эта ячейка содержит элемент 10 переноса заряда. Между элементами 1 и 10 через разрыв 9 может осуществляться зарядовая связь, например, эти элементы расположены на достаточно близким расстоянии 1 - 3 мкм друг от друга. Область полупроводника в элементе 10 имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости области 3, т. е. n-тип, и удельное сопротивление 10 - 20 Ом˙см.
При работе ячейки (фиг. 1) подложка 2 заземлена. В режиме хранения или накопления или накопления заряда к электродам 5 приложены соответственно импульсные отрицательные напряжения хранения Ф1 и Ф2, а контакт 7 находится под потенциалом земли. Заряд хранится в элементах 1 в виде дырок. Информационный заряд переносится из элементов 1 в элементы переноса с помощью приложения отрицательного импульса напряжения к затвору, а фоновый заряд остается в элементах 1. Для удаления фонового заряда к контакту 7 прикладывается на некоторое время отрицательный импульс напряжения U. Р-n-переход, обработанный областями 3 и 6, смещается при этом в прямом направлении, и дырки из области 3 инжектируются в область 6 и уходят в цепь контакта 7. Количество удаленных дырок, равное заряду фона, можно регулировать, изменяя амплитуду и длительность импульса U.
При работе варианта ячейки подложка 2 заземлена. В режиме, когда элемент 1 хранит или накапливает заряд, а элемент 10 участвует в переносе ранее накопленного заряда, на электрод 5 подано отрицательное импульсное напряжение Ф, и на полевой электрод элемента 10 подано также отрицательное импульсное напряжение. При этом к контакту 7 приложено положительное напряжение U. Когда же заряд из элемента 10 ячейки перенесен (удален), а в элементе 1 - накоплен, напряжение падает до нуля, и зарядовая связь через разрыв 9 открывается. Информационный заряд из элемента 1 переносится в элемент 10, а фоновый заряд остается в элементе 1. Напряжение снова становится положительным, и цикл повторяется.
Таким образом, изобретение позволяет осуществлять в ячейке ПЗС вычитание фонового заряда и отделять его от заряда информационного. Для этого не нужны дополнительные элементы: p-n-переходы и затворы как в известных устройствах.
За счет вычитания фона и возможности увеличения площади основных элементов хранения и переноса заряда увеличивается чувствительность считывания в ячейке. (56) Носов Ю. Р. , Шилин В. А. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью. М. : Советское радио, 1976, с. 116.
Секен К. , Томрсет М. Приборы с переносом заряда. М. : Мир, 1978, с. 213.
