я однаковими тактовими імпульсами і передача зарядів у них здійснюється синхронно. У кожному бите додаткового регістра до переданому зарядовому пакету додається відповідний йому посилений заряд. Так як посилення вихідних сигналів здійснюється багаторазово, в різних елементах, і в різні моменти часу, то всі флуктуації усереднюються.
Структура підсилювача (рис.21) включає в себе тактовий електрод, під яким розташований плаваючий затвор. При надходженні тактового імпульсу зарядовий пакет з попереднього ПЗС-елемента перетікає (у напрямку, перпендикулярному площині малюнка) до потенційної ями розглянутого ПЗС-елемента і викликає зміна потенціалу на плаваючому затворі, який виступає за площини ПЗС-елемента. Виступаюча частина є затвором МДП-транзистора, контролюючого передачу посиленого зарядового пакета (також у напрямку, перпендикулярному площині малюнка) у вихідні ПЗС-елементи більшої площі.
В
Рис.21. Структура (а) і еквівалентна схема (б) підсилювача з плаваючим затвором: 1 - тактовий електрод; 2 - плаваючий затвор; 3 - потенційна яма ПЗС; 4 - канал МДП-транзистора; 5 - каналоогранічівающіе n +-області
Відповідно до еквівалентною схемою підсилювача (рис.21, б) початкова напруга, устанавливающееся на плаваючому затворі (вузол I) після приходу тактового імпульсу (але до настання зарядового пакету Q), одно:
П†1 = U'фС2/[С2 + С1 С3 (С1 + С3) + С4 + Свх], (8)
де С2 - ємність конденсатора, утвореного тактовим електродом і перекривається частиною плаваючого затвора; d-ємність діелектрика, розташованого під перекривається частиною плаваючого затвора; С3 - ємність поверхневого збідненого шару ПЗС-елемента; С4-ємність між плаваючим затвором і каналоогранічівающей п + - дифузійної областю; Свх - ємність виступаючого ділянки плаваючого затвора на підкладку. Неважко переконатися, що після приходу Q зміна потенціалу О”П†1 становить:
О”П†1/Q = - [С2 + С4 + Свх + х (С1 + С2 + С4 + Свх)] -1 (9)
Знак мінус у (7) відображає той факт, що збільшення заряду Q викликає зменшення потенціалу плаваючого затвора.
Зміна потенціалу О”П†1 викликає зміну струму стоку МДП-транзистора. Якщо його крутизна дорівнює g = dIc/dU3, то коефіцієнт посилення заряду AQ дорівнює:
AQ = QY/Q (О”П†1/Q) О‡ g О‡ ty. (10)
де Qy - посилений заряд, ty - тривалість стробірующего імпульсу, який відкриває ланцюг передачі заряду через МДП-транзистор.
Крім посиленого інформаційного заряду в ПЗС-елементи вигідного регістра надходить фоновий заряд Qф, обумовлений початковим зміщенням П†1 затвора МДП-транзистора:
Qф = ICtY (11)
Величина фонового заряду флюктуірует та пов'язані з цим шуми рівні:
. (12)
Відношення сигнал/шум в одному розряді рулз одно:
. (13)
Якщо використовувати звичайну модель МДП-транзистора:
, обчислити крутизну g і підставити вирази для g і Iс в (11), то отримаємо, що ks/N не залежить від режиму МДП-транзистора:
kS/N = О”П†12 {kty/[q (1 + x)]} 1/2, (14)
де k - питома крутість МДП-транзистора, х - коефіцієнт впливу підкладки.
З (14) випливає, що існує оптимальна величина ємності виступаючої частини плаваючого затвора Свх опт, при якій kS/N максимальний. З умови dkS/N/dCBХ = 0, використовуючи також (8) і (12), отримаємо
Свх опт = С2 + С2 + С1х/(1 + х). (15)
Однак реально МДП-транзистор працює в режимі мікрострумів, в якому його характеристики відхиляються від звичайної моделі. Тому kS/N залежить від режиму і більше точно оптимальне значення Свхопт можна визначити за допомогою експериментальних вольтамперних характеристик.
Так як РУПЗ містить NBblХ розрядів, то сумарне посилення інформаційного заряду буде в NBblХ разів більше (порівняно з одним розрядом), а сумарні шуми збільшаться тільки в (NBblХ) 1/2 разів. Отже, kS/N в многоразрядовом підсилювачі пропорційний (Nnux) 1/2 і потрібне значення kS/N може бути досягнуто за допомогою певного числа розрядів РУПЗ.
Для отримання kS/N = 5 при зарядовим сигналі Q = 10-5 пК. (Що відповідає 60 електронам) потрібно 12 розрядів підсилювача. Зміна потенціалу плаваючого затвора від такого заряду дуже мало, 150мкВ. Тому для реалізації РУПЗ необхідні високостабільні джерела живлення. Площа ПЗС-елементів у РУПЗ визначається з умови розміщення в потенційній ямі останнього елемента сумарного посиленого інформаційного зарядового пакету і сумарного фонового заряду.
Ще однією можливою областю застосування ФСІ на ПЗС є астрономічні прилади та фотодатчики для реєстрації елементарних частинок. У цих приладах використовується чітка геометрична фіксація елементів ФСІ, що дозволяє з високою точністю визначати координати необхідного елемента зображення.
На закінчення детальніше зупинимося на використанні ПЗЗ в системах формування сигн...
