4. Приборы с зарядовой связью

4.1 Цель занятия

Целью занятия является изучение принципов функционирования прибора с зарядовой связью, использующего зарядовые пакеты в качестве носителей информационного сигнала, а также проведение расчетов для определения факторов, влияющих на величину тактового напряжения U_ф, получение зависимостей типа: U_ф=f(U_см); U_ф=f(l); U_ф=f(N).

4.2 Методические указания по организации самостоятельной работы

Изучить по конспекту лекций и литературе [2, 3, 4, 9, 10, 11, 12] принцип действия, структуры, топологию, электрические параметры, приборов с зарядовой связью (ПЗС). Необходимо обратить внимание на физические факторы, которые ограничивают их электрические параметры, а также на возможные области применения.

ПЗС -структуры представляют собой совокупность МДП-конденсаторов, сформированных на общей полупроводниковой подложке. Полоски проводящих электродов образуют линейную или матричную регулярную системы. Расстояния между соседними электродами должны быть настолько малы, чтобы не нарушить эффекта их взаимного положения или зарядовой связи.

Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и направленной передаче динамических неоднородностей в виде зарядовых пакетов. Такой тип динамических неоднородностей образуется в потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника при приложении к электродам внешнего электрического поля. Благодаря зарядовой связи между соседними МОП-конденсаторами можно осуществить направленный перенос зарядового пакета.

Этот процесс можно осуществить путем подачи на шины, соответствующим образом сформированных трапецеидальных тактовых импульсов.

Импульсы амплитудой 10…15 В имеют перекрытие, так что фронт последующего импульса нарастает раньше, чем начинается спад предыдущего. Кроме тактовых импульсов, прикладывается некоторое постоянное смещение U_см, которое должно обеспечить постоянное обеднение поверхности полупроводника основными носителями.

Величина зарядового пакета Q, который может храниться в элементе, находящемся под тактовым напряжением U_ф, определяется величинами глубин потенциальных ям в этом и соседних элементах, находящихся под напряжением U_см, максимальная величина Q_max определяется напряжением Q_max=SC_Д(U_ф–U_см),

где S - площадь электрода, - удельная емкость диэлектрика затвора толщиной h (рис. 1).

В процессе перехода зарядового пакета поверхностный потенциал под первым затвором φ₁ повышается, а под вторым затвором φ₂ понижается. Может возникнуть потенциальный барьер (штриховая линия на рис. 1), препятствующий полной передаче заряда. Поэтому для полной передачи зарядов необходимо численно решить уравнение Пуассона, определяющее распределение потенциалов. Для этого необходимо решить одномерную задачу в предположении, что поверхностная область полупроводника в зазоре между элементами полностью обеднена. Тогда распределение потенциала может быть описано одномерным уравнением вида:

, (1)

где q – заряд электрона, ε_п - диэлектрическая проницаемость полупроводниковой подложки, ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, N-концентрация примесей в полупроводнике (для p-подложки N = N_a для n-подложки N = N_Д).

Рисунок 4.1 – Смежные элементы ПЗС-структуры и распределение поверхностного потенциала между ними

Выпишем граничные условия: φ(0)=φ₁; φ(l)= φ₂. Решение уравнения (1) в этом случае имеет вид:

,

где . (2)

Таким образом, чтобы электроны могли полностью перейти из элемента 1 в элемент 2 и в области зазора не возникал бы потенциальной барьер, необходимо бы выполнить начальное условие. Оно заключается в том, чтобы в течение всего процесса передачи электрическое поле в зазоре должно быть направлено от элемента 2 к элементу 1, или .

Наименьшее поле будет в конце процесса передачи, когда весь сигнальный заряд Q перейдет в элемент 2 и разность глубин двух потенциальных ям φ₂–φ₁ будет минимальной. Минимальное значение поля будет у левой границы зазора при у=0. Дифференцируя уравнение (2) находим в точке у=0

, (3)

где Q₁=0, - поверхностные плотности подвижных зарядов в элементах 1 и 2, Z₂-ширина затвора 2.

Запишем условие монотонного возрастания потенциала:

(4)

Поверхностная плотность подвижных зарядов в элементах включает в себя приведенный к границе раздела заряд диэлектрика и фиксированный заряд поверхностных состояний. В первом приближении будем считать, что величина Q_i не зависит от величины φ и определяется из соотношения:

, (5)

где U'₃=U₃+U_пз, U_пз – напряжение плоских зон.

Если считать, что переходный обедненный слой полностью обеднен носителями, то суммарный на единицу площади заряд обедненного слоя Q_ос связан с поверхностным потенциалом следующим соотношением:

, (6)

где – коэффициент влияния заряда обедненного слоя подложки.

Подставляя в (4) выражение для поверхостных потенциалов (5) и (6) получаем соотношение между значениями U₁ и U₂:

(7)

(8)

Таким образом, минимальное значение U₂, при котором обеспечивается полная передача пакета, прямо пропорционально величине пакета Q_П и квадрату длины зазора l.

Выражение (7) можно использовать для определения соотношений между U_ф и U_см при управлении трапецеидальными импульсами (Рис. .1.).

В этом случае U₂=U_ф, a U_см=U₁.

Таблица 4.1 – Данные для расчета

Исходные	Вариант
данные	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Концентрация N 1014, см-3	1	5	10	2	6	4	1	3	10	3	1	2	1	3	1
Расстояние между электродамиl, мкм	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	1	2	3	4
Ширина электродов L, мкм	5	6	7	7	6	10	9	4	10	3	10	5	5	10	10
Длина электродов Z, мкм	10	12	15	18	14	12	10	8	10	8	10	15	12	10	15
Толщина диэлектрика, h, мкм	0,05	0,1	0,15	0,2	0,15	0,1	0,05	0,1	0,13	0,15	0,2	0,18	0,15	0,12	0,1
Uсм, В	1	2	3	4	1	3	2	4	1	2	3	5	1	2	3
u, мкс		5				10		40				2

Расчеты провести при значениях N = 10²; 5·10²; 10³ мкм^–3, l = 2; 3; 15мкм, U_см=l;2;3B.

Для расчете пользоваться следующими постоянными и соотношениями q= 1,6·10^-16 Кл; ε₀ = 8,85·10^–18 Ф/мкм ; ε_П= ε_Si=12; ε_Д=3,9; L_i=5–10 мкм; Z_i=10–20 мкм; h=0,1–0,2 мкм; =3 В; U_ПЗ=1 В.

.3 Контрольные вопросы и задание

1. На какие составляющие можно разложить напряжение, приложенное к МОП-структуре?

2. Как изменяется распределение потенциала в МОП структуре: а) с течением времени; б) при внесении зарядового пакета ?

3. Что такое поверхностный потенциал? Какие факторы изменяют его величину?

4. Какие факторы определяют толщину обедненного слоя?

5. Что такое потенциальная яма?

6. Вычислите толщину обедненного слоя d в начальный момент времени после подачи напряжения на затвор МОП структуры при N_a = 110¹⁴ см^-3, n_i =10¹⁰ см^-3, d_д = 0,15 мкм; размере электродов (затвора) 10х20 мкм²; приложенное напряжение U₃= 10 В; 20 В.

7. От каких факторов зависит максимальная величина зарядового пакета?

8. Вычислите максимальную величину: а) заряд инверсионного слоя; б) зарядового пакета при _1S = 5 В.

9. Приведите топологию и структуру трехфазной ПЗС. Поясните принцип ее функционирования.

10. Каким образом в ПЗС вводится и выводится зарядовый пакет ?

11. Охарактеризуйте основные параметры элементов ПЗС.

12. Какие факторы определяют минимальную тактовую частоту ?

13. Что характеризует коэффициент потерь ?

14. Чем определяется максимальная тактовая частота ?

15. Приведите структуры ПЗС с двухфазным управлением.

16. Какие достоинства ПЗС с объемным каналом переноса ?

17. Поясните принцип действия фотоприемных приборов на ПЗС: а) с зарядовой связью; б) с зарядовой инжекцией.

18. Приведите примеры использования ПЗС для частотной фильтрации.

19. Произвести расчеты: d; Q_МАКС, Q_П.МАКС согласно варианту.