7.6. Приборы с зарядовой связью

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рис. 7.16 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП - структур. Величина зазора между соседними МДП - структурами невелика и составляет 1 - 2 мкм. ПЗС - элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

Рис. 7.16. Устройство и принцип работы приборов

с зарядовой связью

Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения V_G1 на затвор 1-го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р-типа это соответствует формированию под затвором 1-го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τ_ген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС‑элементах должны проходить за времена меньше τ_ген. Пусть в момент времени t₁ >> τ_ген в ОПЗ под затвор 1-го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 7.16, б). Теперь в момент времени t₂ > t₁, но t₂ << τ_ген на затвор 2-го ПЗС элемента подадим напряжение V_G2 > V_G1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2-го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1-м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рис. 7.16, в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2-го ПЗС-элемента, напряжение на затворе V_G1 снимается, а на затворе V_G2 уменьшается до значения, равного V_G1 (см. рис. 7.16, г). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС-элемента. Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи t_пер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (t_пер << τ_ген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП - структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (N_ss ≈ 10¹⁰ см^-2·эВ^-1).

Заключение

Дисциплина «Физические основы электроники» является базовым курсом при подготовке студентов направления подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника». Не умаляя полезности существующих учебников и учебных пособий по данной дисциплине, настоящая книга может стать фундаментом для начального образования по твердотельной электронике, своеобразным мостиком для освоения новых областей электроники, таких как микроэлектроника, наноэлектроника, микросхемотехника и функциональная электроника.

В учебном пособии рассматриваются физические основы твердотельной электроники, связанные с контактными явлениями в электронно-дырочных переходах, барьерах Шоттки и гетеропереходах, а также основы физики поверхности полупроводников и МДП-структур, устройство, характеристики, параметры, система обозначений и простейшие схемы применения полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, а также приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением - тиристоров.

В пособии использованы соответствующие действующим ГОСТам терминология, система обозначений и условные графические изображения приборов твердотельной электроники.

Систематизированное рассмотрение явлений, лежащих в основе работы приборов твердотельной электроники, и основных типов полупроводниковых приборов облегчит понимание и восприятие материала лекций по дисциплине «Физические основы электроники», читаемых студентам.