7 Приборы функциональной электроники

7.1 Введение в функциональную электронику

Основной тенденцией развития микроэлектроники является повышение степени интеграции элементов. Последние десятилетия характеризуются развитием микроэлектронной элементной базы в соответствии с законом Г.Мура.

Повышение степени интеграции достигается двумя путями: увеличением плотности упаковки элементов и увеличением размеров кристалла. Современные информационные и телекоммуникационные системы непрерывно усложняются и нуждаются в интегральных схемах ультравысокой и гигантской степеней интеграции, (УБИ и ГИС) содержащих 10⁷  10⁹ элементов.

Для характеристики элементов таких ИМС используются субмикронный и нанометровый масштаб измерений. Размеры элементов УБИС и ГИС приближаются к междуатомным расстояниям.

Дальнейшее развитие электроники связано не только с совершенствованием традиционной микросхемотехники, но и с использованием различных физических носителей информации, а также объемных свойств материалов.

Простое количественное наращивание степени интеграции имеет пределы. Качественно новым решением является отказ от традиционных схемных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов), и использование объемных эффектов в твердом теле.

Направление, связанное с отказом от компонентной структуры ИМС, и основанное на использовании объемных эффектов, получило название «функциональная электроника».

Изделия, использующие различные физические явления в твердом теле, называются приборами функциональной электроники. К ним относятся приборы с зарядовой связью, акустоэлектронные приборы, магнитоэлектронные приборы и другие.

Принципы действия некоторых перспективных типов приборов функциональной электроники рассматриваются ниже.

7.2 Приборы с зарядовой связью

Первые научные работы о приборах с зарядовой связью (ПЗС) опубликованы в 1970 году. По сути это разновидность приборов со структурой металл-оксид-полупроводник.

Такие приборы содержат последовательную цепочку металлических электродов, отделенную от поверхности тонким слоем диэлектрика. При подаче соответствующего потенциала на тот или иной электрод под ним образуется область, обедненная носителями заряда. Если подложка имеет проводимость n-типа, то при подаче на металлический электрод отрицательного потенциала относительно сплошного нижнего металлического электрода, в приповерхностном слое под ним скапливаются неосновные носители дырки. Дырки скапливаются в образовавшиеся потенциальные ямы, которые называются «карманами».

Для накопления заряда внутри «кармана» необходимо добиться электрическим или оптическим методом повышения концентрации неосновных носителей вблизи этого «кармана» на расстоянии от него не более диффузионной длины.

Этого можно достичь путем введения носителей под металлические электроды инжекцией с электронно-дырочного перехода, либо образованием их при проникновении света в объем полупроводника, через промежутки между металлическими электродами.

Инжекция с перехода требует времени, исчисляемого наносекундами. Она будет зависеть от постоянной времени заряда диффузионной емкости инжектирующего перехода и от времени диффузии носителей от перехода до границы «кармана». Наиболее быстрым процессом может быть инжекция световым зондом. Время образования пары носителей из фотона составляет единицы наносекунд. Если сконцентрировать световой пучок на области «кармана», можно практически исключить наиболее медленный процесс – диффузию носителей от места их возникновения до области поля.

Если напряжения, поданные на соседние электроды ПЗС прибора, различаются по величине, между соседними «карманами» создаются области электрического поля. Направление этого поля будет таким, что неосновные носители будут дрейфовать из более мелкого «кармана» в более «глубокий». Таким образом, можно обеспечить перетекание заряда из одного «кармана» в другой.

Для того чтобы исключить двунаправленность в пе­редаче заряда, используют последовательность электро­дов, объединенных в группы по три электрода (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 – Трехтактная система переноса зарядов

Если за­ряд накоплен под некоторым электродом и необходимо передать его вправо, то на электрод, расположенный справа, подается более высокое напряжение и заряд пе­ретекает к нему. В следующий такт повышенное напряжение подается на следующий электрод, к которому и перетекает заряд. Элек­троды подсоединены к трем шинам:

- к первой шине – электроды 1, 4, 7, 10 и т. д.

- ко второй шине – электроды 2, 5, 8, 11 и т. д.

- к третьей шине – электроды 3, 6, 9, 12 и т. д.

Допустим, что заряд внесен нами тем или иным способом под электрод 4,находившийся под напряжением «хранения». Для передачи сигнала (пакета заряда) вдоль цепочки электродов подадим повышенное напряжение (назовем его «напряжением приема») на вторую шину. Напряжение приема будет на соседнем с электродом 4 электроде 5. Заряд будет перетекать от электрода 4 к электроду 5. Напряжение приема будет также и на электроде 2, но этот электрод отделен от электрода электродом 3, и поэтому перетекания заряда влево не будет.

Через время, необходимое для полного перетекания заряда из кармана электрода 4 в карман электрода 5, снимем напряжение приема от шины второй и приложим к шине третьей. Теперь напряжение приема будет на электроде 6. Заряд будет перетекать от электрода 5 к электроду 6. В следующий цикл' напряжение приема переносится на первую шину, затем снова на вторую, на третью и т. д. Заряд начинает перемещаться слева на­право. В начале цепочки возле электрода 1, может раз­мещаться инжектирующий диод, вводящий заряд в систе­му. В конце цепочки можно поставить диод с электрон­но-дырочным переходом, смещенный в обратном направ­лении. Заряд, инжектированный диодом на входе в «кар­ман» электрода 1 цикл за циклом будет перемещаться от электрода к электроду, пока не достигнет выходного диода. «Впрыскивание» заряда неосновных носителей в запертый диод вызовет толчок тока в его цепи и им­пульс в нагрузке.

Для ПЗС характерны два режима работы: хранения и передачи информационного заряда. Информационный заряд не может храниться в ПЗС длительное время вследствие процессов термогенерации, которые приводят к накоплению паразитного заряда дырок в инверсном слое и к заполнению потенциальной ямы. В аналоговых устройствах паразитный заряд изменяет величину общего заряда, что приводит к искажению хранимой аналоговой информации.

Максимальное время хранения для современных ПЗС обычно находится в интервале от сотен миллисекунд до десятков секунд.

Важным параметром ПЗС является эффективность переноса зарядов, определяемая отношением величин зарядов в соседних МОП-структурах до и после передачи соответственно. Чем ближе эффективность к единице, тем через большее число структур может быть передана информация. Обычно эффективность переноса заряда составляет от 0,99 до 0,9999.

Время передачи информационного заряда уменьшается с увеличением информационного заряда. Время передачи прямо пропорционально квадрату длины затвора и обратно пропорционально подвижности. Из-за большей подвижности электронов быстродействие n-канальных приборов оказывается в несколько раз выше, чем p-канальных. Максимальная частота работы для современных ПЗС обычно находится в интервале от десятков килогерц до десятков мегагерц.