Физ.Полупр.(для студ) / ФТТ_Садыков_13-14 / FTT_Sadykov_10aud

По закону Гаусса, приходящийся на единицу площади контакта заряд дается выражением:

На следующем рисунке (рис. 5) приведен график найденного решения для Qs в зависимости от s и np0 pp0 .

Видно, что получение инверсного слоя в полупроводнике требует приложения положительного потенциала на затвор, достаточной величины.

рис. 5

Полная дифференциальная емкость полупроводника определяется соотношением:

На рис.5 представлена стационарная характеристика МДП структуры. Установление представленных на рис. параметров для рассматриваемой структуры требует огромного в

масштабе электронных процессов времени (порядка 1 секунды). В свою очередь, причина инертности отклика МДП структуры объясняется просто: состояние равновесия структуры по отношению к положительному смещению на затворе означает обеднение приконтактной области положительными зарядами и возникновение заряда подвижных электронов в инверсном слое. Первый процесс обычно требует незначительного времени, но накопление подвижных электронов в инверсном слое – процесс длительный. В данном случае в системе очень мала концентрация подвижных электронов и накопление их на контакте происходит только благодаря достаточно медленному процессу их термогеренации в объеме полупроводника. Поэтому потенциальная яма для электроном, возникшая на контакте сразу после подачи потенциала на затвор, долгое время остается незаполненной. Особенностью некоторых применений МДП структуры как раз является использование такого нестационарного состояния этой структуры.

МОП – конденсатор как ячейка памяти.

Чтобы представить процессы установления равновесия в МДП структуре, рассмотрим более подробно формирование объемных зарядов в ней при заданном значении потенциала на затворе (рис.6а). Видно, что приложенное смещение распределяется на диэлектрике Vi и

полупроводнике s , так что V Vi s . Надо отметить, что соотношение слагаемых в последней сумме меняется по мере установления стационарного состояния. Причина в том,

Рис. 6а

установления заряда Qm - быстрый (он определяется максвелловской релаксацией,

характерной для металла), этого нельзя сказать относительно Qs . Действительно,

формирование заряда Qs состоит из двух этапов. На первом этапе, после подачи смещения на затвор, в приграничной области полупроводника возникает обедненная основными носителями область толщиной W0 . Этот процесс протекает также быстро (он определяется временем максвелловской релаксации для полупроводника). Второй процесс – это заполнение инверсного слоя электронами. Поскольку электронов в дырочном полупроводнике крайне мало, процесс естественного заполнения потенциальной ямы на границе полупроводник-

диэлектрик требует значительного времени; электроны подтягиваются из глубины полупроводника по мере возникновения их там благодаря термической генерации электронно-дырочных пар. Как показано на рис.6б, в результате первой стадии образуется слой отрицательного неподвижного заряда толщиной W0 , а в результате второй стадии возникает узкий слой подвижного отрицательного заряда – инверсного слоя. При этом плотность объемного заряда со стороны металла остается равной суммарной плотности заряда со стороны полупроводника. Объемный подвижный заряд со стороны полупроводника называют сигнальным зарядом и приписывают ему плотность Qsign . Этот термин

подчеркивает, что заряд в инверсный слой может быть внесен также искусственно, благодаря внешнему воздействию. Поэтому заряд, сформированный в инверсном слое благодаря

стремлению структуры к равновесию, мы будем обозначать как Qsigneq , подчеркивая его

естественное происхождение. Итак, для МОП конденсатора в режиме глубокого обеднения

контактного потенциала с приложенным на затвор смещением в двух случаях выглядит так:

Графики, полученные на основе выражения (4) представлены на рис. 7. Они показывают, как меняется зависимость s0 от V (на рис.7 V VG VFB !!!) при различных значениях

остальных параметров структуры, например N A и d . Выражение (5) может быть применимо

и тогда, когда сигнальный заряд внесен извне и имеет любую величину Qsign Qsigneq . На

Рис 6б

основе этого соотношения можно получить связь между Qsign и контактным потенциалом s

для данного значения потенциала на затворе V (см. рис. 8).

Рис. 7

Рис. 8

Из изложенного, прежде всего, видно, что глубина потенциальной ямы инверсного слоя зависит от количества заряда, содержащегося в яме. Для любого отличного от нуля Qsign

имеем s s0 . Следует обратить внимание, s на рис. 8 не может быть меньше s 2 B

(порог сильной инверсии) как это следует из рис.5. На рис 9 вводится представление о ячейке памяти (потенциальной яме) для записи и хранения в ней зарядового пакета. Следует однако помнить, время хранения не должно превышать время заполнения данной ямы естественным путем. Далее мы рассмотрим применение матрицы МОП конденсаторов для видеозаписи.

Рис. 9

Запись и передача информации

Один из способов искусственного ввода сигнального заряда в инверсный слой основан на фотогенерации. Именно такой способ используется в приборах видеозаписи. Если МОП конденсатор подвергается освещению, величина сигнального заряда, образуемого в инверсном слое, определяется освещенностью и величиной экспозиции

. Процесс записи требует намного меньше времени, чем процесс

естественного заполнения ямы. Записанная информация способна храниться в ячейке в течение времени, которое заметно меньше времени естественного заполнения. В этом промежутке эта информация может быть прочитана в неискаженном виде. Для того, чтобы записать изображение используют не один конденсатор, а матрицу МОП конденсаторов, на которой оптическими устройствами проецируется данное изображение. Теперь за время экспозиции под каждым конденсатором образуется зарядовый пакет, пропорциональный освещенности в этой точке Qsign xi , y j . Следующая задача – вывод записанной информации

и запись ее на носителе другой природы. Для этого используется принцип передачи информации путем передачи зарядовых пакетов вдоль линейки МОП конденсаторов,

используя технику тактовых импульсов. Поперечное сечение типичного трехфазного ПЗС

показано на рис.10. Здесь иллюстрируется передача содержимого одной ячейки другой ячейке путем манипулирования величиной потенциалов на затворе смежных МОП конденсаторов.

Рис. 10

На рис. 11 представлена временная зависимость тактовых импульсов.

Рис.11.

Трехтактовая схема передачи информации.

Уиллард Бойл и Джордж Смит разделили половину Нобелевской премии по физике 2009 года

«за разработку оптических полупроводниковых сенсоров – ПЗС матриц», другая половина

премии этого года была присуждена Чарльзу Као за «новаторские достижения в области

передачи света по волокнам оптической связи».

Литература:

Зи С. Физика полупроводниковых приборов. – Т.1 - Москва.- МИР – 1984 – С. 455.