Come funziona un CCD?

Una prima parte sul funzionamento dal punto di vista dell'elettronica di un sensore CCD, come quello che viene montato all'interno delle nostre fotocamere, cellulari e videocamere.

Il cuore di un rivelatore per immagini CCD è il condensatore CMOS: un'eterogiunzione di Metallo, Ossido, Semiconduttore (drogato).

Nell'eterogiunzione si mantengono le relazioni tra le bande di conduzione (tra semiconduttore e isolante) e tra banda di conduzione e il livello di Fermi (tra metallo e isolante) .
Se consideriamo il lavoro di estrazione uguale per metallo e semiconduttore (Φm = Φs) e non iniettiamo nessun potenziale VG siamo nella condizione ideale di bande piatte.

Per poter sfruttare il condensatore CMOS come un accumulatore di carica dobbiamo polarizzare positivamente l'eterogiunzione. Abbiamo diversi regimi di polarizzazione:

1) Regime di svuotamento ed inversione

Con un potenziale positivo sul gate (metallo) allontaniamo le lacune verso il bulk, e si scopre così la carica spaziale creando una zona di svuotamento come avviene per una giunzione p-n. Ai lati dell'isolante abbiamo due distribuzioni di carica: puntiforme sul metallo e la zona svuotata nel semiconduttore, equivalenti in modulo. Al crescere del potenziale di gate si estende la zona di svuotamento, e la compensazione delle cariche per mantenere l'equilibrio viene non solo dalla zona di svuotamento ma anche dagli elettroni generati termicamente che possono finire in banda di conduzione (con VG alta sono più probabili perché con la bande piegate si ottiene che il livello di Fermi si avvicini alla banda di conduzione ottenendo così una differenza in energia sempre più vicina a KT). Si arriva a una soglia di inversione quando la carica di inversione Qn è pari al drogaggio del semiconduttore; in elevata inversione invece la Qn è maggiore del drogaggio.
In questi regimi il condensatore è all'equilibrio.

2) Regime di deep depletion:

Se la commutazione della tensione di gate da nulla a molto positiva è molto veloce si va in una situazione di non equilibrio per cui le lacune si spostano instantaneamente. La commutazione è più veloce del tempo di generazione termica degli elettroni. Quindi questo stato di non equilibrio permane fino al momento in cui inizio ad avere generazione spontanea, che però per un semiconduttore puro può durare anche decine di minuti. 

L'equilibrio può essere raggiunto anche tramite la generazione ottica, che per le differenze di rate di generazione è prevalente rispetto alla termica.

Si va così a sfruttare l'ampia zona di svuotamento come un serbatoio di cariche generate otticamente.

All'accumularsi di cariche si riduce la zona di svuotamento e si riduce anche il potenziale Φs che va a cadere sul semiconduttore. L'accumulo di cariche avviene fino a al raggiungimento della soglia di inversione (come un bicchiere che si riempie).

Il funzionamento di un CCD

Il condensatore CMOS oltre all'accumulazione della carica permette di trasferirla se ho più CMOS costruiti sullo stesso bulk (difatti originariamente il CCD non nasce come rivelatore di immagini, ma come memoria a registro di scorrimento).

La carica accumulata si trasferisce di condensatore in condensatore fino a uno stadio terminale dove viene estratta e trasformata in potenziale: alla fine della catena di condensatori si crea una buca di potenziale profonda con una diffusione n+, in modo che tutta la zona svuotata sia nel substrato p. Con le varie commutazioni di tensione tra i CMOS si sposta la carica in questa buca di potenziale e tramite un MOSFET si può misurare facilmente il potenziale associato alla carica accumulata.

 

Nota: se i CCD fossero realizzati come sono stati trattati avrebbero una qualità pessima: per acquisire immagini è importante la purezza e quindi che sia davvero trascurabile la generazione termica, l'interfaccia tra ossido e silicio è piena di difetti e quindi appena si crea la deep depletion la generazione termica incombe immediatamente, quindi con un diverso tipo di eterogiunzione si ottengono i cosiddetti dispositivi a canale sepolto nei quali prima di arrivare all'ossido il potenziale si abbassa e si ottiene una zona di svuotamento protetta dai difetti dell'interfaccia: le cariche sono lontane dall'ossido