4. Фотоприемникинаосновеструктурметалл–диэлектрик–полупроводник

1. Приповерхностныеобластипространственногозаряда

ПомиморассмотренныхПИдлясозданиямногоэлементныхфото-приемныхустройствиспользуютсяприборызарядовогосдвига(ПЗС)иприборысзарядовойинжекцией(ПЗИ).Таккакпринципдействияэтихструктуроснованнавзаимодействиисветасприповерхностнойобластьюполупроводника,покрытогодиэлектриком,рассмотрим,ка-ковыглавныесвойстваэтойобласти[7.4].

Основныеположенияпридальнейшемрассмотрениизаключаютсявследующем:

1. положениявсехэнергетическихуровнейотсчитываютсяотуров-

няФермивсобственномполупроводнике,принятогозанульэнергии;

2. энергияизмеряетсявединицахkT;

3. вводится «мера легирования» полупроводника

• p₀

n_i

n_i

n_0

p_0n0,где

p_0,n_0,n_i

–концентрацияравновесныхдырок,

электроновисобственнаяконцентрациясоответственно.

Тогдавобъемеполупроводникаконцентрацииэлектроновидырокравны

n_0n_iexp(_0);

p_0n_iexp(_0),

(7.4.1)

где_0ln_^1_–безразмерный(приведенныйкkT)уровеньФерми.

Рассмотрим,какможноописатьполупроводниквэлектрическомполе[7.4].Таккакполупроводниксодержитподвижныезаряды,вбли-зиповерхностивслоенекоторойтолщинывозникаетиндуцированныйзаряд.Этотзарядэкранируетнейтральныйобъемполупроводникаотпроникновенияэлектрическогополя.Областьлокализацииэтогоин-дуцированногозаряданазываетсяприповерхностнойобластьюпро-странственногозаряда.АналогичныеОПЗбылирассмотреныранеевр–п-переходах.ВозникновениеОПЗможетбытьсвязанонетолькосперераспределениемподвижныхносителейзарядавразрешенныхзо-нах.Зарядможетперераспределятьсяиналокальныхуровняхвза-прещеннойзоне.

ОбщейхарактеристикойзарядавОПЗявляетсявеличинаегообъ-

емнойплотностиρ(z),котораяопределяетсяалгебраическойсуммойвсехтиповположительныхиотрицательныхзарядоввданнойточкеz:

_  _

(z)q_N_dN_ap(z)n(z)_,

N

d

где ^и

^––концентрацииионизированныхдоноровиакцепторов;

N

a

p(z)иn(z)–концентрациидырокиэлектроноввразрешенныхзонах;

q–зарядэлектрона.

Наличиеиндуцированногозарядаприводиткпространственномураспределениюпотенциала,ивеличинараспределенногообъемногозарядаρ(z)ипотенциалэлектростатическогополявнемвзаимноодно-значносвязанымеждусобойуравнениемПуассона:

d²Y q



^^z

,

dz²

kT₀_s

где

Yqv(z)kT–безразмерныйпотенциал;ε₀,ε_s–диэлектрическая

проницаемостьвакуумаиполупроводникасоответственно.

РешениеуравненияПуассонаопределяетходпотенциалавОПЗполупроводника,авеличинаY(z)определяетвеличинубезразмерногоизгибазониэнергетическихуровнейвкаждойточкеz.

Вслучае,когдаприданнойтемпературедонорыиакцепторыиони-зированывлюбойточкеполупроводникаиявляютсяоднозарядными,равновесныеконцентрацииносителейзарядавразрешенныхзонах

(n_0,p₀₎

тождественноравныконцентрациямлегирующихпримесей

(N_d,N_a).ТогдаобъемнаяплотностьзарядавОПЗможетбытьзаписа-наввиде

^{(z)q}ⁿ₀^p₀^{p(z)n(z)}^.

Концентрацииэлектроновидырокдлялюбойкоординатыzмогутбытьзаписаныввиде

n(z)

n_0expY(z);

p(z)p₀exp[Y(z)].

(7.4.2)

Нарис.7.19показанаэнергетическаядиаграммаоднородногопо-лупроводникавприсутствииэлектрическогополя.

Е

η_s

η(z)

Y_s

Е_С

–1

η=lnλ

0

0

Y(z)

Е_v

z_i w

Рис.7.19.Энергетическаядиаграммаодно-родногополупроводникаприналожении

электрическогополя

Историческисложилось,чтознакэлектростатическогопотенциалаY(z)принимаетсяположительнымдляизгибазонвнизиотрицатель-нымдляизгибазонвверх.Нарис.7.19отраженоповедениезонприY(z)<0.Из(7.4.2)следует,чтоприотрицательномзнакеэлектростати-ческогопотенциалаY(z)концентрацияэлектроновприприближениикповерхностиуменьшается,аконцентрациядырокувеличивается.ПриположительномзнакеэлектростатическогопотенциалаY(z)ситуация

противоположная.ВзависимостиотзнакаивеличиныY_s

лизовыватьсянесколькоситуаций.

можетреа-

1. Обогащение.Концентрацияосновныхносителейзарядаупо-верхностибольше,чемвобъеме.

2. Обеднение.Концентрацияосновныхносителейзарядауповерх-ностименьше,чемвобъеме,нобольше,чемконцентрациянеоснов-ныхносителейзарядауповерхности.

3. Инверсия.Концентрациянеосновныхносителейзарядаупо-верхностибольше,чемконцентрацияосновныхносителейзаряда.

Нарис.7.20показаныхарактерныевидыизгибовзондлядырочнойиэлектронноготипаобъемнойпроводимости.

n-тип

Е ^{Е Е}

F₀ F₀ F₀

Е Е Е

^Е Е Е

p-тип

Е ^Е

^Е Е F₀ ^F₀

Е Е

Е

Е

F_0Е

а б в

Рис.7.20.Всевозможныевидыпотенциальныхбарьеровнаповерх-ностиполупроводникаn-типаиp-типапроводимости:

а–слоиобогащения;б–слоиобеднения;в–слоиинверсии

Начинаясинверсионныхизгибовзонвсяосновнаямассанеоснов-ныхносителейзарядавОПЗсосредоточенавтонкомслоемеждупо-верхностью(z=0;y=Y_s)инекоторойплоскостьюz_i[Y(z_i)=lnλ].Заплоскостьюz_{iрасположен}слойобеднения,которыймноготолщеин-версионногослоя.Последостиженияизгибовзон,соответствующихинверсии,толщинаслояобедненияперестаетрастиидальнейшееуве-личениеизгибовзонприводиттолькокувеличениюконцентрациине-основныхносителей.

Освещениеструктуры

Основноепредположение,котороеделаетсяприрассмотрениивлияниягенерацииизлучения,заключаетсявтом,чтовпределахОПЗквазиуровниФермиостаютсяпостоянными(каки вp–n-переходах)[7.5].Энергетическаядиаграммаоднородногополупроводникавпри-

сутствииэлектрическогополяиосвещенияпоказананарис.7.21дляполупроводникастакимижепараметрами,какнарис.7.19.

Е

Е_C

η_n

^ηsn

η₀

^Y_s 0

^ηsp

η_p

Е_vw

Рис.7.21.Энергетическаядиаграммаодно-родного полупроводника при наличии

электрическогополяиосвещения

Припоглощениисветагенерируютсяэлектронно-дырочныепары,которыеразделяютсявэлектрическомполетакже,какивp–n-пере-ходе.Дыркиуходяткповерхности,аэлектроныостаютсявобъеме,идостигаетсястационарноесостояние,определяемоеуровнемгенера-цииивременемжизнинеравновесныхносителейзаряда.Неравновес-ныедыркичастичноэкранируютэлектрическоеполе,вследствиечегоповерхностныйпотенциалY_sиширинаОПЗуменьшаются.Вобъемеполупроводникаконцентрациидырокувеличиваютсяиихможноопи-сатьприпомощиквазиуровнейФермидляэлектронов_nидырок^_p.

Если,какиприрассмотрениинеравновесныхявлений,проведенномвпредыдущихразделах,выразитьнеравновесныеконцентрациикаксуммуравновесныхконцентрацийинеравновесныхдобавок,тодляобъемаможнозаписать

n_bn_0n;

p_bp_0p.

(7.4.3)

Еслиразделитьобечастиравенстванаn_i,томожнополучить:

n_bn_i^1_;

^p_b^n_i^{}^,

(7.4.3а)

где

nn_ipn_i

–уровеньинжекции(возбуждения)поотноше-

ниюксобственнойконцентрацииносителейзаряда.КвазиуровниФермивводятсяпоаналогиис(7.4.1),поэтому,учитывая(7.4.3а),ква-зиуровниФермиможновыразитькак

_nln_^1_;

p

^{ln}^1.

ЕслиобозначитьотклонениябезразмерныхквазиуровнейФермиот

равновесногоуровняФермичерез

u_n_n₀

иu_p_p_0,тоиз-

быткиэлектроновидыроквыражаютсякак

^nn_0^exp(u_n^)1^;

pp₀^_exp(u_p)1^_.

(7.4.4)

ВОПЗконцентрацииэлектроновидырокопределяютсявыраже-ниямитипа(7.4.2):

n(z)

n_0exp

^u_n^Y(z)^;

p(z)

p_0exp[u_pY(z)].

Анасамойповерхности

ⁿ_s^n₀^expu_n^Y_s^;

p_sp_0expu_pY_s.

Какбылосказановыше,вследствиеосвещенияизменяетсяповерх-ностныйизгибзонивозникаютприповерхностныеизбыткиносителейзаряда.Изменениеповерхностногопотенциалаприосвещенииназыва-

етсяповерхностнойфотоЭДС.Вбезразмерныхединицахоназаписы-ваетсякак

где

Y_фqv_фkT,а

Y_s,Y_s0

Y_фY_sY_s0, (7.4.5)

–значениеповерхностногопотенциала

приосвещенииивтемнотесоответственно.

Такимобразом,какивp–n-переходеврежимехолостогохода,воднородномполупроводникеприналичииэлектрическогополяиос-вещениивозникаетфотоЭДС.Вопросзаключаетсявтом,каксоздатьэлектрическоеполеиобластьпространственногозарядаводнородномполупроводнике.

2. МДП-СТРУКТУРЫ

Вкачествефотоприемниковиспользуютструктурыметалл–диэлектрик–полупроводник,илиМДП-структуры,которые,какэтоследуетизопределения,состоятизполупроводникаснанесеннымнанегопоследовательнодиэлектрикомиметаллом.ДляоблегченияанализаповеденияМДП-структурыпривнешнихвоздействияхбудемсчитать,чтоврассматриваемойструктуреотсутствуюттокиутечкичерездиэлектрикинетповерхностныхсостоянийивстроенногоза-рядавдиэлектрике.Такоеназваниеносятзаряды(заряженныечасти-цы,дефектыит.п.),которыенеизменяютсвоювеличинупривоздей-ствииэлектрическогополянаМДП-структуру.Предполагаетсятакже,чтоконтактнаяразностьпотенциаловмеждуполупроводни-комиметалломполевогоэлектродаравнанулю.Еслиэтиусловиявыполняются,товполупроводникеотсутствуетначальныйиндуци-рованныйзаряди,следовательно,нетизгибазоннаэнергетическойдиаграмме.ТакаяструктураноситусловноеназваниеидеальнаяМДП-структура(рис.7.22).Металлнадиэлектрикеноситназваниеполевогоэлектрода,илизатвора,анаобратнойстороне–базовогоконтакта.ДлябазовогоконтактауровеньФермиметаллаиполу-проводникасовпадаютприлюбомнапряжениисмещенияиконтактявляетсяомическим.Считается,чтовэтомслучаепрактическиот-сутствуетвозможностьэкстракциииинжекциииобразецобменива-етсясвнешнейцепьютолькоспомощьюпротеканиячерезэтоткон-тактосновныхносителейзаряда.

Д

η

0

М ^ηi М

^v=0 П

Рис.7.22.ЭнергетическаядиаграммаидеальнойМДП-структурыприv0

ЕсликМДП-структуреприложитьнапряжение,товзависимостиотегополярностиивеличинызоныизогнутсявтуилиинуюсторонуибудетреализовыватьсяобогащение,обеднениеилиинверсия.Возник-нутприповерхностныеобластипространственногозаряда,которыерассматривалисьвпредыдущемпараграфе,ноприанализекоторыхнеобходимоучитыватьтообстоятельство,чтоприложенноепостоян-

^{ноенапряжениебудетраспределятьсямеждудиэлектрикомv}_d^ипо-

^{лупроводникомv}_sc^.

v_d+v_scv_0.

ВполупроводникевозникаетиндуцированныйзарядQ_{scравный}повеличинеиобратныйпознакузарядуQ_mназатворе:

Q_m+Q_sc=0.

НапряжениянадиэлектрикеиОПЗполупроводникаопределяютсясоотношениями:

d

v^Qm^Qsc

иv^kTY.

C

d ^Cd

Отсюдаследует,что

sc _q s

s

0

_{v}^Q_sc^(Y_s⁾_kT_Y,

C_d q

гдеC_dE_dE0d

–удельнаяемкостьдиэлектрика,а

^Qsc

–приповерх-

ностныйизбытокзаряда,значениекоторогоопределяетсяизрешенияуравненияПуассонаиравно

Q_sc2qn_iLdF(Y_s,),

гдедебаевскаядлинаэкранированиявсобственномполупровод-

нике

L_d

E_sE0kT_,а

2q²n_i

^{F(Y,)}^{}^{eY11eY1}



_{ 1}12

Y ^ .



Можновпервомприближенииоценитьвеличинунапряжениянаструктуре,необходимогодляполученияданногоизгибазон.ЗадавY_{s,рассчитываем}повыведеннымвышеформуламQ_sc,идалееприизвест-нойвеличинеС_{dполучаем}искомоеv_0.

РеальныеМДП-структурывзначительнойстепениотклоняютсяотидеальных.Обычновнихвтойилиинойстепениприсутствуюткаксостояниянагранице,такивстроенныйзаряд.ЭлектроникаМДП-структурвнастоящеевремябазируетсяглавнымобразомнакремниииосновнойявляетсяструктураметалл–двуокиськремния–кремний.Процедураполучениятакойструктурывыглядитследующимобразом.Послешлифовки,полировкииспециальнойхимическойобработкиповерхностькремниятермическиокисляется.Врезультатевзависи-мостиотзадачинаповерхностиобразуетсяслойSiO_{2толщиной}от10до~2000...3000Å,накоторыйнаноситсяметалл.Диэлектрикобычновыдерживаетнапряженностьэлектрическогополядо510⁶...10^7В/см(50...100Вна1000Å),имееттокиутечкинеболее10^–10...10^–12Аинаграницеразделаплотностьповерхностныхсостоянийнебольшечем10⁹...10¹⁰см^–2эВ^–1.Длястабилизациихарактеристикструктурынапо-верхностьдвуокисикремниячастонаносятвторойдиэлектрик,напри-мер,нитридкремния(Si₃N₄).Чтобыполучитьэлектрическийконтакткструктуреполупроводник–диэлектрик,наповерхностьдиэлектрикаинаобратнуюсторонупластиныкремниянаносятсянапылениемвва-куумеметаллическиепленки.

Длядругихполупроводников(Ge,InSb)этацифравыше:10¹¹...10^{12см–2}эВ^–1,чтосвязаносотсутствиемдлянихстольжесо-

вершенногопоструктуредиэлектрика,какSiO₂.

ЭквивалентнаясхемаМДП-структуры

ОПЗполупроводника,какивслучаеp–n-перехода,характеризует-

Q

сядифференциальнойемкостью

С_sc

^sc.Висследованияхполу-

v_sc

проводниковпривоздействиивнешних,переменныхвовремени,элек-трическихполейвводятсяпонятиянизкихивысокихчастотизмененияэтихполей.Низкимичастотамисчитаютсятакиечастотыизмененияэлектрическогополя,прикоторыхконцентрацияносителейзарядавразрешенныхзонахиналокальныхуровняхвзапрещеннойзонеполу-проводникавлюбоймоментвременисбольшойстепеньюточностисовпадаетсосвоимиравновеснымизначениями,втовремякакпривысокихчастотахэтосовпадениенедостигается.Физическойпричи-нойэтогоявляетсясоответствиеилинесоответствиевременигенера-цииносителейзарядаобратнойчастотемодуляцииполя.Рассмотримпростойслучай,когдакМДП-структуреприложенобедняющий(дляполупроводника)потенциал.Основныеносителизарядаподдействиемполязавремя,соответствующееихскоростидрейфа,уйдутизсфор-мировавшейсяобластипространственногозаряда.Ноконцентрациянеосновныхносителейзарядамалаивначальныймоментвременинеможетобеспечитьновогоквазиравновесногоихзначения.Такимобра-зом,создаетсяситуация,когдавблизиповерхностиотсутствуютсво-бодныеносителизарядавконцентрациях,присущихновомуквазирав-новесномуихзначению,соответствующемуизгибузонподвоздействиемприложенногоэлектрическогополя.Переходкэтомуквазиравновесномусостояниюдостигаетсяпутемтепловойгенерацииэлектроновизвалентнойзонывзонупроводимости.Действительно,равновесноедляданнойтемпературысостояниедостигаетсяприра-венствескоростейгенерацииирекомбинацииносителей.Приприло-женииэлектрическогополяравновесиенарушаетсявсторонуумень-шенияконцентрацииэлектроновпосравнениюстермическимравновесиемидостигаетсязасчеттепловойгенерации.Болееподроб-ноонеравновесномобеднениибудетидтиречьдальше.

ВсовременныхкремниевыхМДП-структурахпрактическиотсут-ствуетвлияниенаэлектронныепроцессыбыстрыхповерхностныхсо-стоянийзахватапопричинеихпренебрежимомалойконцентрации(10⁹...10¹⁰см^–2эВ^–1).Этопозволяетпроводитьанализсучетомтолькогенерационно-рекомбинационныхпроцессов.

Длянизкихчастотизгибзонвлюбоймоментвремениявляетсяквазиравновесным,какиизменениязарядоввОПЗ.Считаяизменениязарядовинапряжениймалыми,воспользуемсяопределениемдиффе-ренциальныхемкостейизапишемдляемкостиМДП-конденсатораСвцелом,дляемкостидиэлектрикаC_dидляемкостиОПЗС_sc:

С^Qm;

v

C^Qm;

d

v_d

^Сsc

_Q_sc.

v_sc

ТаккакемкостидиэлектрикаиОПЗвМДП-структуресоединеныпоследовательно,томожнозаписать:

1_1_1_;

_{C}^Cd^Csc_.

C C_d

^Csc

C_dC_sc

ДляпрактическихцелейудобнопредставлятьМДП-емкостьввидеэквивалентнойсхемы(рис.7.23),гденетолькоемкостьдиэлектрика,ноидифференциальнаяемкостьОПЗобозначеныкакобычныерадио-техническиеконденсаторы.

Емкостьпространственногозаряданарисункеизображенакаксуммаемкостейдырокиэлектронов.Нарис.7.24изображеназависи-мостьемкостидиэлектрика,емкостипространственногозарядаC_scисуммарнойемкостиМДП-структурыC_дляэлектронногополупро-водникаотповерхностногопотенциалананизкойчастоте.

ЗарядвОПЗвобластиобогащения(положительныйпотенциал)

экспоненциальнорастет,причемнеобходимоеколичествоэлектронов(основныеносители)поступаетчерезомическийконтактизвнешней

цепи. Обеднение приводит к

^Сn уменьшениюконцентрацииэлек-троноввОПЗ,которыеуходят

^Сd такжечерезомическийконтакт.

Приинверсиинеобходимоедляустановленияравновесияколи-честводыроквОПЗпоявляетсяс

^Сp помощьютепловойгенерации.

Таккакчастотынизкие,тогене-

Рис.7.23.ЭквивалентнаясхемаМДП-

структурынанизкойчастоте:

C_sc=C_p+C_n

рацияуспеваетзаскоростьюиз-мененияизгибазониемкостьтожеэкспоненциальнорастет.Из

рис.7.24такжевидно,чтосуммарнаяемкость из-запоследовательногосоединенияC_dиС_{scвыходит}нанасыщениекуровнюемкостидиэлек-трика.Именнотакойвид(суммарнаякривая)будетиметьэксперимен-тальнаяВФХМДП-структурынанизкихчастотах.

C

C

^Cscd

C_Σ

–Y 0 Y

Рис.7.24.Зависимостьемкостидиэлектрика,ем-костипространственногозарядаC_scисуммарнойемкостиМДП-структурыC_дляэлектронногополупроводникаотповерхностногопотенциала

Вслучаевысокихчастотвобластиобогащениязавремяпорядкаполупериодапеременногонапряженияполнаяконцентрациянеоснов-ныхносителейзарядазасчетрекомбинационно-генерационныхпро-цессовпрактическинеизменяется.Длямонополярногополупроводни-каэлектронноготипаприобогащениизарядомнеосновныхносителей,какивнизкочастотномслучае,можнопренебречь,нозарядэлектро-новуспеваетследоватьзаизменениемполя.Этозначит,чтоемкостьМДП-структурывобластиобогащенияведетсебяодинаковоипринизких,ипривысокихчастотах.

Затовобластипотенциалов,соответствующихинверсионному

слою,посравнениюснизкойчастотойположениеменяется.Зарядвинверсионномслое,которыйсостоитизнеосновныхносителей,неус-певаетизменятьсвоювеличинусчастотойтестирующегонапряжения.Этосвязаностем,чточастотатестирующегосигналамногобольшеобратнойвеличиныэффективноговременижизни,обусловленногогенерационнымипроцессами.Какследствие,всеизменениязаряда,вызванныебыстрымиизменениямивнешнегополя,связанытолькосмодуляциейзарядоввслоеобеднения,которыйлежитзаслоеминвер-сии.Этамодуляциявозможна,таккакзакаждыйполупериодчасть

основныхносителей,компенсирующихзаряддоноров,уходитлибоприходитчерезтыльный(омический)контакт,изменяятакимобразомзарядОПЗсчастотойизменениявнешнегополя.Атаккактолщинаэтогослояприизменениизарядаслоя инверсиинеменяется,тозначит,отсутствуетизменениеемкости.Можнопоказать,чтоемкостьМДП-структурынавысокойчастотеравна

Q q²

С^СdCi,

C_dC_i

q EE

гдеC_i

об_

v_об kT

_n0Ld1/2



kT(2ln)

0s_.

W_

ЭквивалентнаясхемаМДП-структурынавысокойчастотеизави-симостьемкостиотповерхностногопотенциалапоказанынарис.7.25.

С_dСi

^НЧ _С ^С_d НЧ _С

^ВЧ ВЧ

v

Y_s

0

Рис.7.25.Эквивалентнаясхемаивысокочастотнаявольт-фараднаяхарактеристикадляэлектронного

полупроводника

Такимобразом,вначальныймоментприложенияэлектрическогополя,котороепознакусоответствуетобеднению,ОПЗполупроводни-каненаходитсявсостоянииквазиравновесия,априходитвнегочерезопределенноевремя.ЭтонеравновесноесостояниеиспользуетсяприпримененииМДП-структурвкачествефотоприемников,поэтомурас-смотримегоболееподробно.

НеравновесноеобеднениеполупроводникавМДП-структуре

СостояниенеравновесногообеднениявозникаетвлегированномполупроводникеМДП-структурыприподаченаметаллическийэлек-тродимпульсанапряженияскрутымфронтомидостаточнобольшой

амплитудысполярностью,соответствующейвыведениюизполупро-водникаосновныхносителейзаряда.Приэтомзавремязарядкикон-денсаторавблизиповерхностиполупроводникаформируетсяобеднен-ныйслойтакойтолщины,чтополныйзаряднеподвижныхдонороввнемпрактическиравенотрицательномузарядунаметаллическомэлек-троде.НачальноесостояниеидеальнойМДП-структурыизображенонарис.7.26,а,асформированныйобедненныйслой–нарис.7.26,б.Вэтомслучаевозникаетнеобычноераспределениенапряжения,по-данногонаМДП-структуру.Вполупроводникепадаетбольшаячастьприложенногонапряжения,иизгибзонможетвдесяткиразпревы-шатьширинузапрещеннойзоныполупроводника.

Вольт-фараднаяхарактеристикапридостаточнобыстромизмене-

ниисмещающегонапряжениябудетиметьвид,показанныйнарис.

7.25(ВЧ-кривая).

ПослеостановкинапряжениянанекоторомзначенииV_{0дифферен-}циальнаяемкостьполупроводникаС_{sначинает}возрастатьдонекото-рогостационарногозначенияС_{∞,определяемого}толщинойравновес-ногослояобеднения,аполнаяемкостьструктуры–дозначения,задаваемогоНЧ-кривой.Неравновесноеобеднениеприводитпреждевсегокрезкомуразбалансупроцессовтепловойгенерацииирекомби-нации.Вобщемслучаенеосновныеносителизаряда,которыенеобхо-димыдляформированияравновесногоинверсионногослоя,поступаютвприповерхностнуюобластьизнесколькихисточников.Во-первых,благодарягенерации–черезповерхностныеи(рекомбинационные)состоянияичерезобъемныесостояниявобластиобеднения,аблаго-дарядиффузии–изнейтральногообъема.Во-вторых,прибольшихполяхмогутвозникатьдополнительные,«полевые»,механизмыгене-рациинеосновныхносителейзаряда,такие,какударнаягенерациявОПЗилитермополеваяэмиссиятипаПула–Френкеля.Померенакоп-лениядыроквОПЗвсебо´льшаячастьотрицательногозаряданаме-таллическомэлектродеэкранируетсяподвижнымидырками.ИзгибзонYитолщинаобедненногослояwуменьшаются,стремяськнекоторым



равновеснымзначениямY_s

иw_(см.рис.7.26,в).Распределениена-

пряженияизменяется,ибольшаячастьегопадаетнадиэлектрике.

Подчеркнемещераз,чтофизическаясущностьрассмотренногоэффектасостоитвследующем.ВначалеизОПЗполупроводникавыво-

дятсявсеосновныеносителизарядаионстановитсяфактически

«заряженнымдиэлектриком»,азатемпостепенно,померегенерации

МД П М

lnλ

E_С

^η0

+

^–+_–

–

^{+ +– +–}

⁺_– +_{– –}+

^vg⁼⁰

^–Ev

+^–+–

_–+––+

⁺ _–+_–

+

–

+

–

^++++++++

qv_d

kT

– ^–––

+ +_–

а

– _–––

+_– ⁺_––+

v

– η_p

g₊

^{+ + + +–}+^–

η

_– qv_g

p

^{+ +} + ⁺ +_–

^{+ + + +––}

_skT _{+ +}

+^–++

–

+ + +

_ + +

^++–+++

–

–

η

^η_n^η₀ η₀

w₀

+ + +

w₀

⁺–⁺

+

б

–

v_g qv_d

⁺ kT

qv_g

12 3

kT ⁺₊

+^–+ +

⁺⁺⁺

₊+

^+–+_– ^–_–+

– ^–

+

+

+

+

s +⁺

⁺₊⁺_++–+

–^{– –}

+

+

^{+ +–+}

⁺⁺

+

+–

+

+

+^+–+

^li ^η₀

w_

+ –^– –

₊⁺ –+ ⁺

l_i

w_

в

Рис.7.26.ЭнергетическаядиаграммаидеальнойМДП-струк-турывсостояниинеравновесногообеднения:

а–доприложениянапряжения;б–вмоментt=0(сразупо-слезарядкиконденсатора);в–последостиженияравновесия;

–штриховаялиния–серединазапрещеннойзоны;штрих-

пунктирная–уровеньФермивравновесии(η₀)иквазиуровниФермиэлектронов(η_n)идырок(η_p);1–дырки;2–доноры,

3–электроны

электронно-дырочныхпар,формируетсяинверсионныйслой.Толщинаслояобедненияприэтомсокращается,стремяськравновеснойдляданногонапряжениявеличине.Времяустановленияравновесногорас-пределенияносителейзарядамногобольшеаналогичныхвременсоз-данияслоевобогащенияилиравновесногообеднения.Вкремнииприкомнатнойтемпературевремяпереходакравновесномуинверсионно-мусостояниюможетдостигатьнесколькихдесятковсекунд.ВовремяэтогопереходачерезМДП-структурутечетток,вызванныйизменени-емполнойемкостии,следовательно,изменениемзаряданаметалличе-скихконтактах.

Какужеговорилось,состояниенеравновесногообедненияширокоиспользуетсяприсозданиифотоприемниковнаосновеМДП-структур,описаниеработыкоторыхдаетсявследующемподпараграфе.

3. МДП-СТРУКТУРЫКАКФОТОПРИЕМНИКИПРИБОРЫСЗАРЯДОВОЙСВЯЗЬЮ

Ранее,прирассмотрениивлиянияосвещения,ужеговорилось,чтоосвещениеприводиткуменьшениюповерхностногопотенциала,вре-зультатечеговозникаетсигнал,которыйвпринципеможетбытьзаре-гистрирован.Однакоприпостоянномнапряжениииосвещениивцепиможетпротечьтолькотокперезарядкиилидеполяризации,которыйназываюттакжемгновеннымфототоком.Чувствительностьврежимемгновенноготоканетаквысока,ипоэтомуприпримененииМДП-структуриспользуютрежимнакоплениязаряда[7.6].Рассмотримэтотрежимболееподробно.

Длятогочтобыполучитьизображениеизлучающегообъектаприпомощи,кпримеру,матрицыфоторезисторовилифотодиодов,необ-ходимопреобразоватьсигналыскаждогофотоприемника.Такаяопе-рация,называемаявыборкой,осуществляетсяпериодически,иполез-ныйсигналоткаждогофотоприемникаиспользуетсядлясозданияизображениялишьвтечениекороткоговремени.Режимнакоплениязарядапозволяеткаждомуфотоприемникуработатьвсевремя,участ-вуявформированииизображения.Детальнееэтовиднонапримерефотодиода.Нарис.7.27показанасхемасp–n-переходом,вкоторомреализуетсянакопление.

СначалаключКизаслонканаходятсявположении1,т.е.кфото-диодуприложенообратноесмещение,емкостьОПЗфотодиодазаря-

женадонапряжения

v_0,асамфотодиоднеосвещается.ЕслиключК

h

1 2

ФД

2

^К 1 _RН

V₀

^–+

Рис.7.27.Схема,иллюстрирующаярежимнакоплениявфотодиоде

разомкнуть,товразомкнутойцепиидеальныйконденсаторбезтока

утечексохранилбынасвоихобкладкахнапряжение

v_0.Новp–n-пе-

реходеОПЗобладаетконечнымсопротивлением,и втемнотечерезp–n-переходпотечеттокинапряжениенаемкостифотодиодабудетуменьшатьсядотехпор,покаемкостьнеразрядитсяполностью.Какбылопоказаноранее,вОПЗp–n-переходаприобратномсмещенииотсутствуюткакосновные,такинеосновныеносителизарядаираз-рядныйтокможетбытьобусловлентолькогенерационно-рекомбина-ционнымтоком.Очевидно,чтодляпроцессаразрядкиемкостиспра-ведливоследующеесоотношение:

^dv(t)^i(v).

dt C(v)

(7.4.6)

Таккакемкостьитокявляютсяоднозначнымифункциямиотна-пряжениядляданногоконкретноготипаp–n-перехода,решивуравне-ние(7.4.6),можноопределить,какспадаетнапряжениесовременем.

ТеперьразомкнемключКиодновременносдвинемзаслонкувпо-

ложение2,фотодиодбудетосвещенивp–n-переходебудутгенериро-ватьсяизбыточныеносителизаряда,возникнетфототок,которыйус-коритразрядкуемкости.Нарис.7.28показанызависимостиизменениянапряжениянакремниевомp–n-переходевтемнотеивзависимостиотосвещения.

Напряжениенаp–n-переходе,В

0 0,8 1,6 2,4 3,2 4,0

12

10

8

6

₄ 1

t,мс

3 2

2 ₄

0

01 2 34 56 7 8 9101112

t, с

Рис.7. 28.Зависимостьнапряжениянакремниевомp–n-переходевтемнотеи приразнойинтенсивностиосвещения:

1–втемноте;3и4–приизмененииотносительнойосве-щенностив2и4разапосравнениюскривой2

Каквидноизрисунка,спаднапряженияприосвещенииp–n-переходапроисходитнамногобыстрее,чемвтемноте.Еслитеперьиз-меритьнапряжениепослеопределенногопромежуткавремениисрав-

нитьегоснапряжением

v_0,тоэтаразностьбудетпропорциональназа-

ряду,накопленномувp–n-переходе,иликоличествуфотонов,поглощенныхвp–n-переходезаданныйпромежутоквремени.

Такимобразом,дляреализациирежиманакоплениязаряданеобхо-димоиметьэлемент,вкоторомзаряд,инициированныйосвещением,копится,иключ,которыйбезпотерьосуществлялбыкоммутациюсхемысначаланазарядкуэлементадоопределенногонапряжения,апотом,черезфиксированноевремя,–насчитываниенапряжениясэлемента.Этовремяназываетсявременемнакопления.Ономожетизменятьсяиизменятьфоточувствительностьвсоответствииснапередзаданнымитребованиями.

ВрежименакопленияэффективноработаютМДП-структуры.Вер-

немсякрис.7.26.Еслиметаллическийзатворвыполнитьизпрозрачно-годлясветаматериала(дляэтогоиспользуютполикремнийилиокиселметалла),торежимнакопленияосуществляетсяследующимобразом.Послеподачиимпульсанапряжения(см.рис.7.26,б)наступаетрежимнеравновесногообеднения.Какивp–n-переходе,безосвещенияем-

костьОПЗразряжаетсязасчетгенерационно-рекомбинационныхпро-цессов,априосвещении–засчеттокадырокиэлектронов,генериро-ванныхсветом.Приэтомэнергетическаязоннаядиаграммаизменяетсяотизображеннойнарис.7.26,бкдиаграмменарис.7.26,в.Длясчиты-ваниясигналаприиспользованииМДП-структурприменяютдваос-новныхспособа:спереносомзарядаисинжекциейзаряда.Впервомслучаепользуютсятерминомприборысзарядовойсвязью(ПЗС),авовтором–приборысзарядовойинжекцией(ПЗИ) [7.7,7.8].

УстройствоипринципработыПЗС

Изпредыдущегоизложенияясно,чтоесликполевомуэлектродуМДП-структурыэлектронногополупроводникаприложитьдостаточнобольшойимпульсотрицательногонапряжения,тонаграницеразделадиэлектрик–полупроводникобразуетсяпотенциальнаяямадлядырок.Еслиструктурасформированатак,чтовремязаполненияэтойямыспомощьютепловойгенерациидостаточновелико,товэтуямуможетбытьпомещенинформационныйдырочныйзаряд,возникающий,вча-стности,пригенерацииносителейзарядасветом.Дляпростотырассу-жденийидлянаглядностиглубинупотенциальнойямы,процессеезаполнения,авдальнейшем–ипередачузарядавсоседнююямупред-ставляютввидетакназываемойжидкостноймодели.Потенциальнуюямупредставляюткаксосудссечением,равнымполевомуэлектроду,поверхностныйпотенциал–какглубинуэтогососуда,аколичествонаходящихсявнейнеосновныхносителей–какжидкость,частичноегозаполняющую(рис.7.29).

v_g v_g

₀ 0

φ

q

i

s0

а б

Рис.7.29.Видпотенциальнойямыподэлектродомивеличинаповерхностногозарядадляслучаячастично

накопленногозаряда(а)ибезнего(б)

Итак,емкостьпустогососуда(глубинаямы)определяетсявеличи-нойповерхностногопотенциала,скоторойоднозначносвязанаглуби-наобеднения.Присутствиезаряданеосновныхносителейнаграницеразделасоответствуетуменьшениюзначенияповерхностногопотен-циалаиизображаетсяновымположениемглубиныобеднения.За-штрихованнаяобластьмеждуэтимидвумялинияминарис.7.29,адаетнаглядноепредставлениеовеличинезарядавпотенциальнойямекакоколичествежидкостивсосуде.

Рассмотримосновнойпринциппередачизарядаизоднойпотенци-

альнойямывдругую.ЕслидваМДП-конденсаторарасположеныдос-

таточноблизкодруготдруга,тообластиобеднениямеждунимиприсоответствующихпотенциалахназатворахмогутперекрываться.Приэтомесливоднойизямнаходитсязаряднеосновныхносителей,тоонбудетскатыватьсявямусбольшейглубиной,определяемойбольшейвеличинойповерхностногопотенциала.Используяжидкостнуюмо-дель,скажем,чтозарядтечетвболееглубокуючастьпотенциальнойямы,т.е.можетбытьпереданподсоседнийэлектрод,еслинанегопо-данобольшее,чемнапервый,обедняющеенапряжение.Рассмотримпростейшуюсхемутакогопереноса(рис.7.30).

ЦепочкаэлектродовсоединенапотриуправляющимишинамиР₁,Р_2иР_3и1пиксельсодержиттрисоседниеямы,расположенныепод



этимишинами.Допустим,чтовмоментвремениtt₀

нашинуР_2по-

данообедняющеенапряжениеивовсехямахподР₂-электродамина-



ходитсязарядовыйпакет.При

tt₁

нашинуР_{3подается}такойже

обедняющийпотенциал,изаряд,бывшийдотогоподэлектродамиР₂,перераспределитсяиокажетсяподобоимиэлектродами–Р_2иР_3.



Следующимшагомприtt₂

будетвыключениеобедняющегона-

пряжениянашинеР₂,послечеговесьзарядокажетсяподэлектродамишиныР_3.Такимобразом,мыосуществилиодинактпереносазарядово-гопакетавдольповерхности.Таккакпереносзаряданаодиншагсо-ответствуетегопереходувяму,расположеннуюподтойшиной,вко-торойзаряднаходилсявисходныймоментвремени,тодля

осуществленияпереносанеобходимосовершитьещепереключения

   

тактовогонапряжениявмоментывремени

tt_3,tt_4,tt₅

иtt_6.

Рассмотренныйпринципдаетвозможностьодновременнопереноситьвдольцепочкиэлектродовнесколькозарядовыхпакетов.

P_3P2

1

t

1pixel

+

0

t

+

1

t

а

+

2

t

+

3

t

+

4

t

+

5

60

t=t

P₁

б ^P₂

P₃

ttttttt

0123456 ^t

Рис.7.30.Диаграммыпереносазаряда(а)и зави-симостьамплитудынапряженийнауправляющихшинах(б)отвремени

Изэтойвременно´йдиаграммыпоследовательностиимпульсовяс-но,чтониприкакомочередномпереключенииневозникаетситуации,когданапредыдущийэлектродподаетсяимпульсбольшийпоампли-туде,чемнапоследующий.Такимобразомисключаетсяраспростране-ниезарядавобратнуюсторону.Вконструкцияхтакихпередающихцепочекпредусматриваетсяиограничениераспространениязарядавсторонуотлинейки(поперекдвижениязаряда).Подчеркнемещераз,чтоименноналичиетрехэлектродоввпикселедаетвозможностьдви-гатьзарядовыйпакетвнужнуюсторону.Этаконструкцияпозволяетсоздаватьбарьерсоднойсторонызарядовогопакетаиямудлястока–сдругой.

ПолностьюПЗС-линейка,конечно,должнавключатькромеМДП-конденсаторовещеивходноеивыходноеустройства.Первоепредназначенодлявводавприборинформационногозаряда,второе–дляегосчитывания.

Однаизважнейшихособенностейприборовсзарядовойсвязью–

этоихспособностьподдерживатьцелостностьзарядовыхпакетовприихпереносевдольповерхности.Понятно,чтонапрактикетакойпере-носнеявляетсяниабсолютнополным,нимгновенным.Этонаклады-ваетопределенныеограничениянаскоростьработыПЗСинаполноечислопереносов.Отношениевеличинызаряда,перенесенногоподследующийэлектрод,кзарядуподэлектродомхраненияназываетсяэффективностьюпереносаη.Напрактикеобычносчитаетсяудобнеепользоватьсяпонятиемпотери,илинеэффективностипереносаε.Этидвевеличинысвязаныуравнениемε=1–ηиявляютсяоднойизос-новныххарактеристикприборовПЗС.

Кусловиям,уменьшающимэффективностьпереноса,относитсявзаимодействиепереносимогозарядасповерхностнымисостояниями

захвата.Когданосителизаряда,передаваемыеподследующийэлек-трод,оказываютсяподтемучасткомповерхности,гдеимеютсянеза-полненныеповерхностныесостояния,последниезаполняютсяносите-лямииззарядовогопакета.Обычнопостояннаявременизахватаτ_{захбывает}порядка10^–9с.Этавеличинаобратнопропорциональнакоэф-фициентузахватаиконцентрацииносителейвОПЗ–τ_зах=1/γ_захn_s.Этозначит,чтоеслизарядовыйпакетподэлектродом,тоn_{sвелика,}аτ_{захмало.}Послеуходазарядаподследующийэлектродсзаполненныхпо-верхностныхсостоянийпроисходитгенерацияранеезахваченныхно-сителей.Таккакконцентрацияносителейзарядаприэтомневелика,товременагенерации(выброса)восновномгораздобольшевремениза-хвата.Ночастьзахваченногозарядавсежеуспеваетдогнатьисходныйзарядовыйпакет.Остальныеносителипопадаютужевследующиепа-кеты.Этотпроцессприводиткопределеннымпотерямзаряда(иин-формации)изпервогопакетаиквозникновениюзарядового«хвоста»,которыйтянетсязасигнальнымпакетомивопределеннойстепенивлияетнаскоростьпереноса.

Наскоростьпереносавлияеттакжеуменьшениеподвижности

вблизиповерхностивтонкоминверсионномслое.Борьбасэтимине-гативнымиявлениямиидетпреждевсеготехнологическимиметодами.Крометого,прибольшомколичествепереносов,аоновнекоторых

случаяхдостигаетпримерно10³,используютконструкциюобъемного,илискрытого,канала.ПодложкадлятакоймодификацииПЗСсодер-житэпитаксиальныйслой,типпроводимостикоторогопротивополо-жентипупроводимостиподложки.Еслинаp–n-переход,образованныйэпитаксиальнойпленкойn-типаиподложкойp-типа,поданонапряже-ниесмещенияобратнойполярности,товблизиграницыразделавозни-каетпотенциальнаяямаисвязанныйснеюобъемныйзаряд.Максимумпотенциалавкаждойяменаходитсяненаграницеразделакремний–окисел,ананекоторомрасстоянииотнее,вобъемеполупроводника(рис.7.31).

Входнойдиод ^{Выходнойдиод}

SiO₂

+20В

Электродыпереноса

+20В

n+

+15В

Слойn-кремния

+15В 0В

Подложкаизp-кремния

Каналпереноса

Рис.7.31.ПродольныйразрезПЗС-структурысобъемнымканалом:

эквипотенциальныелинии(штриховые)–границыканалапереносазаряда

Кэтомуслоюкремнияприсоединеныомическиеконтактыввидедиодов,которыеприсоответствующемнапряжениисмещенияобрат-нойполярности«вытягивают»изканалавсеподвижныеносителиза-ряда.Диаграммаструктурыираспределениепотенциалавдольрас-стоянияотповерхностиданынарис.7.32.

Изрис.7.32хорошовидно,чтопотенциальнаяямадляэлектроновнаходитсяненаграницеокисел–кремний,ананекоторомрасстоянииотнее,вобъеме.Подвижныеносители,создающиеприосвещенииинформационныйзаряд,скапливаютсянаднепотенциальнойямы,вместе,гденаходитсямаксимумпотенциала.ВостальномвПЗСсоскрытымканаломвнешневсепроисходиттакже,какивПЗСспо-верхностнымканалом.Спомощьюзатворов,подключенныхктремтак-товымшинам,созданныйсигнальныйзаряддвижетсявдольканала

						Окисел vЕ np М Е Е p–n-переходРасстояние
		np

Электрическийпотенциалv,В

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

–10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Расстояниеотповерхности,мкм

Рис.7.32.МДП-структурасобъемнымканаломпослеудаленияподвижныхносителейизканала

переноса

изатемсчитываетсянавыходе.Подчеркнемещераз,чтоспомощьюединственногопикселянепроизводитсясчитываниезаряда,накоплен-ногоподэлектродом.Процесссчитыванияэтогозарядавключаетпро-цессдвижениязарядовогопакетаотместанакоплениязарядакусили-телю,расположенномувконцелинейнойцепочки.Этотусилительизмеряетчислосигнальныхэлектронов

Отметимтеперьпреимущества,которыедаетприменениескрыто-го,илизахороненного,каналапомимовозможностейсоздаватьподэлектродомпотенциальнуюямуиуправлятьееглубиной.ЭтоприсущевсемПЗС-структурам.Скрытыйканал,крометого,позволяетразме-щатьнакопленныйзарядвдалиотграницыразделаSi–SiO_2,чтоприво-диткувеличениювременихранения(отдесятковсекунддочасов)иуменьшениютемновыхтоковзасчетисключенияучастиявовсехпро-цессахграницыразделаполупроводник–диэлектрик.Крометого,уда-лениеканала,вкоторомперемещаетсязаряд,отповерхностиисключа-етповерхностноерассеяниеиувеличиваетподвижность.Этовсвоюочередьувеличиваетскоростьперемещениязаряда.

РассмотренныесвойствасистемыэлектродоввПЗС-структурах

даютвозможностьнакапливать,хранитьипередаватьвдольцепочкиэлектродовинформацию,сформированнуюпривзаимодействииполу-проводникаспотокомфотонов.Еслиизлучениепоглощаетсявкаждой

СчитываниестрокиN1

N2N3

n

Считываниекадра

Рис.7.33.СхемасчитываниякадрасПЗС-матрицы

изям,тотакоеустройствопред-ставляетсобойлинейкуфото-приемников.Сигнал,возни-кающийнакаждомэлементелинейки,последовательно,какэтобылоописано,поступаетнаусилитель.ВслучаематрицыПЗС-структурсчитываниеосу-ществляетсяпередачейзарядапосдвиговымрегистрам,кото-рыеодновременноявляютсяифоточувствительнымиэлемен-тами(рис.7.33).Вэтомслучаезарядыстрокпереносятсявспе-

Мультиплексор

циальноеПЗС-устройство,называемоемультиплексором.Этоустрой-ствоотличаетсяотобычногорегистраПЗСвозможностьюпараллель-ноговводаинформации.Далеепоследовательностьимпульсов,соот-ветствующихнакопленнойвстрокахфотоинформации,позволяетполучитькадризображения.

УжевраннихработахпоматричнымПЗС-приемникамсветаука-зывалосьнаперспективностьпримененияихвкачествечувствитель-ныхэлементоввтелевизионныхприемниках.Идействительно,запо-следние20летминиатюрныетелекамерысПЗС-устройствамисталипривычнымиврукахнетолькопрофессионалов,ноиобычныхтури-стов,домохозяекит.д.УменьшениеминимальныхразмеровактивныхэлементовИС(проектнаянорма)впланарнойтехнологиипозволилорешитьпроблемуицифровыхфотоаппаратов.Понанотехнологиисоз-даныфотоаппараты,содержащиедо10мегапикселейивыше.Этопо-зволилоприблизитьсяпоразрешениюкобычнойфотографии,исполь-зующеймелкозернистуюфотопленку.

4. МДП-СТРУКТУРЫКАКФОТОПРИЕМНИКИПРИБОРЫСЗАРЯДОВОЙИНЖЕКЦИЕЙ

Начинаясконца70-хгодовХХвекаполупроводниковыеприемни-киизображениястроятсяинадругоймодификацииприборов,осно-ванныхнаявлениинеравновесногообеднения.Этоприборызарядовойинжекции.Вэтихприемникахоптическойинформациидляхранения,

считыванияисканированиязарядаиспользуютсяпереносзарядаиин-жекциявнутриотдельныхфоточувствительныхячеек.Информацион-ныйзаряд,создаваемыйприпопаданиисветанаприбор,накаплива-етсяихранится вматриценакопительныхМДП-конденсаторов.Считываниенакопленногозарядапроисходитвтойжефотоприемнойячейке,гдеонбылнакоплен,чтоприводиткотсутствиювприборахПЗИэлементовструктуры,предназначенныхдляпереносазаряда.ДляосвобожденияфоточувствительныхМДП-конденсаторовотра-неенакопленногозарядаприменяетсяинжекцияэтогозарядавпод-ложку,чтоодновременноможетслужитьидлясчитыванияэтогоза-ряда.Изтакихфоточувствительныхячеекмогутбытьсформированысистемыслинейнойадресацией(строчныеприемникиизображения)илиструктурысдвухкоординатнойобработкойинформации(дву-мерныеприемники).

Принципдействияприборасзарядовойинжекциейлегкообъяс-нитьпорис.7.34.ЕслиМДП-конденсаторсоответствующимимпуль-сомнапряженияпривестивсостояниенеравновесногообеднения,азатемосветить,тообразовавшаясяпотенциальнаяямазаполнитсяин-формационнымзарядом(рис.7.34,а).

Еслитеперьвыключитьнапряжениенаполевомэлектроде,топо-тенциальнаяямаисчезнет(иногдавлитературеэтоназывают«схло-пыванием»).Носителизарядаоказываютсявобластинейтрального

U_s

^v_s n-тип

^Ysintrensic

s

Y

0

++ ++

++ ⁺⁺

Резковыключилинапряжение

n-тип

а б

Рис.7.34.Принципработыединичнойячейкиприборасзарядовойинжекцией:

а–ямазаполненаинформационнымзарядом;б–послевы-ключенияобедняющегонапряженияназатвореносители

зарядаинжектируютсявподложку

объема.Этотпроцесспоаналогиивведениянеосновныхносителейcпомощьюp–n-переходаприпрямомсмещенииполучилназвание–ин-жекциянеосновныхносителейвподложку.Такаяизбыточнаянадрав-новеснойконцентрациянеосновныхносителейможетпрорекомбини-роватьспротекающимидляэтогочерезомическийконтактосновныминосителями.Интегрируяэтотток,можнополучитьвеличинуинжекти-рованногозаряда,или,иначеговоря,измеритьуровеньинформацион-ного«светового»заряда.

Принциппостроения матрицыПЗИоснованнатом,чтокаждаяфо-

точувствительнаяячейкасостоитиздвухМДП-конденсаторов,связан-

ныхмеждусобойтак,чтонакопленныйзарядспособенперетекатьотодногоконденсаторакдругому.Конструкциятакойячейкидолжнаобеспечиватьхранениевсегосигнальногозарядапододнимэлектро-дом,когдаобедняющеенапряжениенадругомэлектродевыключено.Аинжекцияинформационногозарядапроисходит,когданапряжениеодновременновыключаетсянаобоихэлектродах.

Дляустановлениязарядовойсвязимеждуэтимидвумяэлектрода-

миестьнесколькоспособов.Можнооченьблизкорасположитьэлек-троды,можноиспользоватьперекрывающиесяизолированныеэлек-троды.Вэтихслучаяхсвязьосуществляетсясильнымикраевымиполямивзазоре.ВомногихПЗИ-приемникахизображениядлятакойсвязииспользуетсядополнительноелегированиеподложкивмежэлек-тродномзазоре.Внешнихконтактовктакимобластямдлявыполне-нияихфункцийнетребуется,итакаяконструкцияхорошосовмещает-сясобычнойМДП-технологией.

Рассмотримразрезподобнойдвухэлектроднойструктурыифизи-

ческиепроцессы,используемыедлясбора,храненияисчитыванияин-формациивматрицесдвухкоординатнойвыборкой.Этиэлементыещеназываютэлементамифоточувствительныхсистемсx–y-адресацией.

Нарис.7.35показанаструктуравтотмомент,когдаподобоими

электродамисозданосостояниенеравновесногообедненияивнешнееизлучениегенерируетэлектронно-дырочныепарывкремниевойпла-стине.Дыркиидутнаформированиеинверсионногозаряда,аэлектро-ныуходятвовнешнююцепь.Последнийпроцессвызываетфототок,протекающийвовнешнейцепи,покаидетнакопление.Следующаястадия,изображеннаянарис.7.36,называетсяполувыборкой.

Этастадиязаключаетсявперетеканиизарядачерезпроводящуюобластьиз-пододногоэлектродаподдругойиливсобираниивсего

v_x=–10

v_y=–10

Фотоны

^p+ ++++

+

–

–

Фототок

Накоплениезаряда

Рис.7.35.НакоплениеинформационногозарядаприосвещениидвухэлектроднойПЗИ-структуры

v_x=0

v_y=–10

Фотоны

^p ++++

n-тип

+ ^{Фототок}

–

Рис.7.36.Процессполувыборки

информационногозарядаподплощадьюданногопикселяпододнимэлектродом,когданапервомвыключенообедняющеенапряжение.Каквидноизрисунка,инжекцииприэтомнепроисходит,таккаксущест-вуетпотенциальнаяяма,гдеискапливаетсявесь заряд.Такимобразом,зарядостаетсявданнойфоточувствительнойячейкеидажепополня-етсяприпопаданиисветавфоточувствительнуюплощадьпикселя.

Еслитеперьвыключитьнапряжениенаобоихэлектродахячейки,

топроизойдетинжекциянакопленногозарядавподложку(рис.7.37).Носители,инжектированныевподложку,могутрекомбинировать.ЭтопроисходиловпервыхконструкцияхПЗИинакладывалоограничениянадлительностьимпульсаинжекции,которая,естественно,должнабытьбольшевременижизнинеосновныхносителейзаряда.Впротив-номслучаеносителинеуспеютрекомбинироватьипослеконцаим-пульсасоберутсявовновьсозданнуюпотенциальнуюямуфоточувст-вительнойячейки.Крометого,приходитсяразмещатьэтиячейкидруготдруганарасстоянии,превышающемдиффузионнуюдлинунеос-

новныхносителей,иначечастьинжектированныхвподложкуносите-лейзарядазахватываетсясоседнимиячейками.Этиэффектыприводяткрасплываниюизображенияикухудшениюразрешенияфотоматри-цы.Всеэтоприводитктому,чтоконструкцииПЗИнаоднороднойподложкеимеютмалуюплотностьчувствительныхэлементовипере-крестныенаводки.

v=0 ^v=0

p

–

+

n-тип

++++

++++

^{–Сигнальный}ток

Инжекционноесчитывание

Рис.7.37.Стадияинжекционногосчитываниянакопленногоинформационногозаряда

Этинедостаткивзначительноймереустраняютсяприформирова-нияПЗИфотоматрицнаосновеэпитаксиальнойподложки,разрезко-торойданнарис.7.38.

–20 –10

Подложкаp-тип

_l l–эпитакси-альныйслойn-типа

Рис.7.38.ПодложкасэпитаксиальнымслоемдляформированияПЗИ

Вприборах,сформированныхнатакойподложке,эпитаксиальныйp–n-переходиграетрольколлектораинжектированногозаряда.Этотпереход,смещенныйвобратномнаправлении,почтиполностьюсоби-раетинжектированныйзаряд,еслитолщинаэпитаксиальногослояменьшерасстояниямеждучувствительнымиэлементамиилисравнимасним.Вэтомслучаепрактическиполностьюисключаютсяупомяну-тыевышеперекрестныенаводки.

Оценкавременипрохожденияносителязарядаотповерхности,где

фактическинаходятсяносителипослесхлопыванияямы,дограницы

эпитаксиальногослояпоказывает,чтоимпульсинжекцииможетбытьотдолеймикросекунддона-носекунд.Нарис.7.39приведеныданныеэкспериментальныхис-следованийэффективностиин-жекции(впроцентахкнакоплен-номузаряду)дляэпитаксиальнойиоднороднойподложек.

%100

75

50

25

ЭПИ-слой

Объемный

t,мкс

Изрисункахорошовидно,что

длясборапорядка80%инжекти-рованныхносителейвслучаеобъ-емнойподложкинеобходимим-

Рис.7.39.Зависимостьэффективно-стиинжекцииотдлиныимпульса

инжекции

пульсдлиной10мкс.Втожевремядлительностидолеймикросекунды

достаточнодляполногосборавслучаеэпитаксиальнойподложки.Необходимоотметить,чтовслучаеприемадлинноволновогоизлуче-ния,когдаэлектронно-дырочныепарыгенерируютсянасравнительно

Управляющиеимпульсы

Регистргоризонтальногосканирования

0 1 0 0

Регистрвертикальногосканирования

0

0

1

0

Опорныйпотен-циалстроч-

ныхшин

_gстрок

Потенциалинжекции

v_gстолб-цов

Видео-усилитель

СбросОпорныйпотенциал

строчныхшин

Рис.7.40.ПринципиальнаясхемауправленияматрицейПЗИприемников

большомудаленииотповерхности,наличиеэпитаксиальногослояприводиткнекоторомуухудшениючувствительностиприбора.Этосвязаностем,чточастьнеосновныхносителей,генерированныхсве-томвпромежуткемеждучувствительнымиэлементами,собираетсясразуэпитаксиальнымпереходоми,следовательно,непопадаетвна-копительнуюМДП-емкость.

Нарис.7.40данапринципиальнаясхемауправленияматрицейПЗИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наописанныхвышефизическихпринципахработаютипродол-жаютразрабатыватьсяивыпускатьсясамыеразличныетипыфотопри-емников(ФП).ЭтиФПчувствительнывразличныхобластяхспектра,исравнениеиххарактеристикнепосредственноповеличинеобнару-жительнойспособностинеправомерно.Однакосуществуетспособкосвенногосравненияихпараметровчерезсравнениесрассчитаннойвеличинойобнаружительнойспособности,ограниченнойшумами,вы-званнымифоновойзасветкойФПсостороныабсолютночерноготеластемпературойT_Ф300К.

Какбылоопределеноранее,величинаспектральнойобнаружи-

тельнойспособностиравна



_D*_^Si

A_ФПf_,

i_ш

гдеS_{i}–ампер-ваттнаячувствительностьФПнаданнойдлиневолны;

^AФП

• площадьФП;f

• частотнаяполосапропусканияусилителя;

i_ш–среднеквадратичноезначениешума.

Дляидеальногофотовольтаическогоприемника(p–n-перехода)ам-

q

пер-ваттнаячувствительностьравна

S_i_h,где–квантовыйвы-

ход.Еслипреобладающимвидомшумаявляетсяшум,создаваемыйфоном,томаксимальноезначениеобнаружительнойспособностипридлиневолны^{}_{кртакого}идеальногоФПравно

12

^^

^DBLIP^кр^{   ,}

hc_2Q_Ф

Закл ючение ₄₀₉

гдеQ_Ф–плотностьфоновогопотока,падающегонаФПприуглеполязрениянафон,равном2стерадиан(ср);BLIP–аббревиатуранаанг-лийскомязыке(backgroundlimitedinfraredphotoconductors–ограни-ченныефономинфракрасныефотопроводники).

Нарис.7.41показаныспектральныезависимостиобнаружительной

способностивBLIP-режимекакидеальных,такиреальныхФПнаос-новеразличныхполупроводников.ПриэтомдляидеальныхФПлюбойточкенакривойсоответствуетзначениеобнаружительнойспособно-стивмаксимумеспектральнойхарактеристики,т.е.привыполнении

hc

условия,чтошириназапрещеннойзоныравна

E_g_.Нарис.7.41

несколькокривыхсоответствуютодномуобозначению,например,

HgCdTeилиInGaAs.ВэтомслучаеречьидетоФП,изготовленныхизодногоитогожехимическогосоединения,норазногосоставаи,сле-довательно,разнойширинызапрещеннойзоны.Каквидноизрисунка,практическидля всехдлинволнимеетсяматериал,изкоторогоможно

14

10

Ge(77К)Ge(196К)

13

Si(300К)

10

12

–1

lnGaAs(228К)

D (λ),смГцВт

10

11

12

Ge(300К)

10

lnGaAs(300К)PbS(196К)

lnGaAs(253К)

lnGaAs(300К)

lnAs(77К)

lnAs(196К)

Идеальныйфотовольтаическийприемник

Идеальныйфотопроводник