4.7. Приборы с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой матрицу близко расположенных и взаимодействующих между собой МДП-структур.

Принцип действия ПЗС состоит в том, что в каждой отдельной МДП-структуре можно создать локальный приповерхностный заряд неосновных носителей и перемещать его вдоль поверхности от одной МДП-структуры к другой, подавая соответствующие потенциалы на затворы МДП-структур.

ПЗС реализуются, как правило, на МДП-структурах с полупроводником n-типа.

При подаче на МДП-структуру обедняющего отрицательного напряжения, основные носители отгоняются от поверхности полупроводника, а к поверхности притягиваются дырки – неосновные носители. Для дырок создается минимум потенциальной энергии у поверхности полупроводника – потенциальная яма. Дырки устремляются к поверхности полупроводника, заполняя потенциальную яму. Глубина потенциальной ямы тем больше, чем выше отрицательное напряжение, подаваемое на металлический затвор МДП-структуры рис. 4.11.

Если на затвор рядом расположенной МДП-структуры подать большее отрицательное напряжение, то у нее образуется более глубокая потенциальная яма. В пространстве между потенциальными ямами образуется электрическое поле, под действием которого дырки будут перемещаться из менее глубокой потенциальной ямы в более глубокую. Таким образом можно перемещать заряды между ячейками ПЗС.

Рис. 4.15

Применяются трехтактные и двухтактные схемы переноса заряда в ПЗС.

ПЗС широко применяются для преобразования изображений в электрические сигналы.

Под действием квантов света в полупроводнике у поверхности генерируются носители. Основные носители выносятся полем, а неосновные накапливаются в потенциальных ямах пропорционально освещенности данной области ПЗС. Затем производят сдвиг записанной информации и на выходе ПЗС получают сигнал, повторяющий распределение освещенности.

ПЗС применяются также в запоминающих устройствах ЭВМ и в устройствах обработки аналоговых сигналов.

Основными видами ПЗС являются:

• ПЗС с трехтактным питанием;

• ПЗС с двухтактным питанием (имеют затворы МДП-структур различной толщины);

• ПЗС со скрытыми затворами в диэлектрике из поликристаллического кремния;

• ПЗС на цепочках МДП-транзисторов (заряд хранится в диффузионных областях);

4.8. Полевые свч транзисторы на основе арсенида галлия

Транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник.

Структура такого транзистора показана на рис. 4.16.

Большая ширина запрещенной зоны GaAs1,43 эВ обуславливает большое удельное сопротивление подложки 10⁷10⁸Ом·см. Арсенид-галлиевая подложка практически представляет собой диэлектрик.

Рис. 4.16

На поверхности подложки методами ионного легирования создаются высоколегированные области n⁺истока и стока, а также тонкий слой канала толщиной 0,10,2 мкм, концентрация примеси в котором составляет 10¹⁷см^-3. Затем на поверхность канала наносится металлический электрод из композицииTi/w, который образует выпрямляющий контакт с полупроводником канала. К областям истока и стока создаются металлические электроды из композицииAuGe/Au, образующие невыпрямляющие омические контакты.

Проводящий канал формируется между обедненным слоем выпрямляющего контакта затвор-канал и подложкой. При изменении напряжения на затворе меняется толщина обедненного слоя, а следовательно и толщина проводящей части канала, которая определяет проводимость канала и ток стока.

Транзистор работает при обратных и небольших прямых напряжениях не более 0,5 на переходе затвор-канал. Обратно включенный переход металл-полупроводник обеспечивает малый ток в цепи затвора и высокое входное сопротивление транзистора.

Максимально допустимое напряжение на стоке ограничивается напряжением пробоя контакта затвор-канал.

Емкость затвор-канал представляет собой барьерную емкость контакта металл-полупроводник. Для снижения емкости необходимо уменьшить длину канала.

В данном транзисторе практически отсутствуют емкости перекрытия затвор-исток и затвор-сток и малы емкости сток-подложка и исток-подложка. Вследствие этого предельная частота крутизны f_s=1/(2πt_np), будет определяться временем пролета носителей через каналt_npk≈L/V_нас. Тогда

f_s=V_нас/(2πL).

Для L=1 мкм получаемf_s≈30 ГГЦ.

Граничная частота усиления, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению равен единице при условии отсутствия внешней емкости может достигать величины f_тр=μ_уf_s, где μ_у=S·R– статический коэффициент усиления (S– крутизна,R– внутреннее сопротивление).При μ_у>10 граничная частота будет превышать 300 ГГц.

Таким образом, полевой транзистор с диодом Шоттки на основе арсенида галлия является СВЧ-транзистором, работающим на более высокой частоте, чем биполярные транзисторы.

В импульсном режиме время переключения составляет 10-100 пс (пикосекунд). Это позволяет использовать такие транзисторы в сверх быстродействующих интегральных микросхемах.

Арсенид-галлиевые полевые транзисторы с диодом Шоттки на основе эпитаксиальных структур.

Основой для изготовления таких транзисторов является многослойная эпитаксиальная пластина. Рассмотрим основные этапы изготовления таких транзисторов рис. 4.17.

1. Многослойная эпитаксиальная пластина арсенида галлия металлизируется сплавом Au-Ge-Ni.

Эпитаксиальная пластина изготавливается следующим образом. Первоначально на пластинах GaAsвыращивается высокоомный буферный слой толщиной ~ 5 мкм. После буферного слоя выращивается активный слой толщиной ~ 0,7 мкм, а затем высоколегированный контактный слой.

Рис. 4.17

2. Методом глубокого химического травления формируется мезаструктура.

3. Производится утолщение канала под затвор. При этом получается значительное подтравливание, что позволяет применять самосовмещение.

4. Осаждением Ti,W,Auформируется затвор.

5. На площадки истоков осаждается толстый слой золота, позволяющий осуществлять обратный монтаж.

Такие транзисторы могут работать на частотах 15-20 ГГц.