Электростатика

методом инжекции - экстракции зарядов через прямос-
мещенный р-п-переход
. Одно из конструктивных решений ге-
нератора зарядовых пакетов приведено на рис. 4.2. Здесь рас-
смотрен случай, когда используется подложка из кремния 
р
-
типа с зарядовыми пакетами, состоящими из электронов. Прак-
тически аналогичная ситуация реализуется для подложки из 
п
-
типа. 
Рис. 4.2. Генератор зарядовых пакетов (
а
), форма импульса на-
пряжения на эмиттере 
U
3
(
б
), в процессе инжекции (
в
) и экс-
тракции (
г
), форма импульса на первом электроде (
д
) 

---

115 
Сильно легированная область
п
-типа является источником 
электронов и находится под потенциалом 
U
Э
. На входной элек-
трод (затвор) подается потенциал. Потенциал на первом 
электроде
U
Ф1
больше потенциала на входном электроде
U
вх
.
Происходит экстракция или ток носителей заряда из высоколе-
гированной области перетекает под электроды в другой области 
полупроводника. Ток течет только во время действия импульса 
на эмитирующем электроде. Это время выбирается таким, что-
бы успела заполниться потенциальная яма под электродом 
U
Ф1
. 
Такой процесс называют еще 
режимом залива заряда че-
рез барьер
. Он характерен тем, что в исходном состоянии эле-
мента весь заряд находится в эмитирующей области. Между 
этой областью и первой ячейкой существует потенциальный 
барьер, формируемый импульсом напряжения. Заполнение 
ячейки осуществляется как бы подъемом дна и заливкой через 
канал, образованный под входным затвором (рис. 4.2, 
в
).
Величина накопленного заряда определяется как: 
Q
зн
 = SС
д
(
U
Ф
 - U
0
)
,
 
(4.5) 
где 
С
д
- удельная емкость МОП-конденсатора, 
S -
площадь 
затвора, 
U
Ф
- фазовый потенциал на затворе, 
U
0
- пороговое на-
пряжение, необходимое, для создания канала в полупроводни-
ке. 
Когда зарядовый пакетполностью сформирован, дно опус-
кается и часть заряда, превышающая емкость зарядового паке-
та, снова стекает в эмиттерную область. Это наступает, когда 
потенциалы входной и первой ячейки сравниваются (рис. 4.2, 
г
). 
Генерацию зарядовых пакетов можно осуществить и оп-
тическим путем. Различают четыре основных способа генера-
ции оптической информации: 
- непосредственный оптический ввод со стороны подлож-
ки; 
- оптический ввод со стороны оптических электродов; 

---

116 
- ввод с использованием фоточувствительного слоя; 
- ввод путем фотоэлектронного преобразования оптиче-
ской информации. 
С этой целью используются внешний и внутренний фото-
эффекты. Основным физическим механизмом генерации заря-
довых пакетов является внутренний фотоэффект, возникающий 
при поглощении фотонов и генерации носителей заряда. Разли-
чают собственный внутренний фотоэффект, заключающийся в 
образовании одновременно электронов в зоне проводимости и 
дырок в валентной зоне. Этот эффект реализуется в случае, ко-
гда энергия фотона больше ширины запрещенной зоны(
hv>E
g
)
.
Примесный внутренний фотоэффект возникает в случае, 
когда энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны, но 
больше энергии возбуждения примеси. В этом случае при по-
глощении фотона возбуждаются доноры и акцепторы в приме-
сях, и образуется один носитель: электрон в зоне проводимости 
или дырка в валентной зоне. 
На рис. 4.3 приведены конструкции фотогенераторов за-
рядовых пакетов. Фотогенерированные в полупроводниковой 
среде носители собираются в элементе накопления или в фото-
диоде и являются по существу генераторами динамических не-
однородностей в устройствах подобного типа (рис. 4.3, 
а, б
). 
Модель накопителя можно рассматривать как модель фотодио-
да с глубиной 
р-п
-перехода, равной нулю. Генерируемые в 
обедненной области носители в ней не рекомбинируют и попа-
дают в потенциальную яму. Если носители генерируются в ква-
зинейтральной области, то они диффундируют к границе обед-
ненной области. Под действием электрического поля они пада-
ют в потенциальную яму, частично рекомбинируя. Общий фо-
тоток определяется суммой тока в обедненной области 
I
об
и 
диффузионного тока 
I
диф
и может быть записан в виде: 

---

117 
Рис. 4.3. Схема генерации оптических зарядовых пакетов
на основе МОП-накопителя (
а
), фотодиода (
б
) и фотогенератора 
ПЗС-структуры (
в
): 1 - затвор; 2 - диоксид кремния;
3 - обедненная область;4
 -
квазинейтральная 
п
-область; 
5 - контакт; 6 - инверсный слой; 
7 - квазинейтральная 
р
-область фотодиода 
I
Ф
 = I
об
+ 
I
диф
.

 
(4.6) 
Зарядовый пакет формируется интеграцией тока за про-
межуток времени освещения и определяется пропусканием 
электродной системы
Т
, падающим потоком излучения 
Ф
0
, час-
тотой , коэффициентом поглощения , толщиной обедненной 
области 
d
об
, диффузионной длиной неосновных носителей 
L
н
. В 
итоге будет сформирован зарядовый пакет величиной: 
.

(4.7) 

---

118 
Для значений 
d
об
= 10 мкм, 
L
н
= 100 мкм и для видимого 
светового диапазона выражение в квадратной скобке будет 
близко к единице. 
Тогда имеем 
.
 
 
 
(4.8) 
Квантовый выход 
ф
определяется отношением фототока 
к поглощенному потоку излучения: 
Ф
= 
об
+ 
диф
 
 
 
(4.9) 
Чувствительность определяется произведением коэффи-
циента пропускания
Т
на общий квантовый выход 
Ф
. 
Фотодиодная ячейка также может служить генератором 
зарядовых пакетов и ее использование предпочтительнее в ко-
ротковолновой части спектра (0,4 - 0,45 нм). 
Генератор типа ПЗС-структуры (рис. 4.3, 
в
) представляет 
собой фотодиод и три МОП-затвора. 
Первый разделительный затвор З
1
служит для формирова-
ния потенциального барьера и зарядового пакета в процессе