2.15.2. Накопление заряда в моп структурах

Электроны в инверсных слоях могут накапливаться из подложки или из других источников. Для равновесного распределения зарядов характер этих источников и скорость накопления зарядов несущественны. В то же время скорость накопления зарядов имеет решающее значение для переходных процессов и нестационарных явлениях на поверхности в ПЗС структурах. На рис. 35 показаны два предельных случая накопления зарядов под затворами.

Рис. 35. Накопление электронов под затвором МОП транзистора (а) и под затвором ПЗС структуры (б). Источником электронов служат n+ области истока и стока, в ПЗС структуре источником электронов является только электронная составляющая генерационно-рекомбинационной составляющей тока из области обеднения под затвором.

На верхнем рисунке электроны поступают под положительный затвор из сильно легированных областей истока и стока. Если длина канала L, то время диффузии к средине затвора

Это время порядка 10 нс и сравнимо с постоянной времени перезаряда емкости затвора. На нижнем рисунке показан затвор ПЗС структуры. Источником зарядов здесь является генерационно-рекомбинационный ток , возникающий в области обеднения. Если центры рекомбинации расположены вблизи средины запрещенной зоныгде- эффективное время жизни в области обеднения,- ширина области обеднения.

Там, где область обеднения выходит на поверхность, возникает дополнительный ток, связанный с поверхностной рекомбинацией , здесь– скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела кремний-двуокись кремния.

Генерационно-рекомбинационный ток в области обеднения значительно меньше тока диффузии из сильно легированных областей. Поэтому неравновесные области обеднения шириной, значительно превышающие равновесные при инверсии могут существовать в МОП структурах и диодах Шоттки в течении миллисекунд.

2.15.3. Связь между зарядом и поверхностным потенциалом

В ПЗС структуре величина поверхностного потенциала определяется напряжением на затвореи величиной информационного заряда электронов под затвором. Влияние фиксированного в окисле заряда и заряда поверхностных состояний учитывается напряжением плоских зон

Заряд акцепторов в области обеднения

Выражение является квадратным уравнением для зависимости оти. Если аппроксимировать, где- усредненная емкость полупроводника, то можно использовать линейный коэффициент влияния подложки, как при упрощенном выводе ВАХ МОП транзистора.

Тогда

(2.15)

Из (2.15) следует, что при малых иможет достигать значенияиопускается до нуля при максимальном заряде. С ростом зарядаповерхностный потенциал уменьшается, т.е. глубина ямы, в которую перетекает заряд из под соседнего затвора, будет уменьшаться.

2.15.4. Перенос заряда под затвором

Разность напряжений между электродами создает тянущее поле только в зазоре между затворами. Этот зазор составляет доли микрон и может быть сведен к нулю специальной конструкцией затворов. Длина затвора вдоль направления движения электронов принципиально не может быть уменьшена до нуля. Поскольку электрод затвора представляет собой эквипотенциальную поверхность, то тянущее поле вдоль затвора на поверхности может создаваться только самими подвижными электронами

.

Но из (2.15) , если пренебречь влиянием подложки. Тогда

Поверхностная плотность тока на единицу ширины затвора

Когда заряд под затвором мал, то ток носит диффузионный характер . После того, как заряд превысит пороговое значение, преобладающим становится дрейфовое движение поле, создаваемом самим зарядом . Это поле порядка, здесь- величина исходного заряда под предыдущим затвором,-длина затвора. Такой необычный самоиндуцированный дрейф представляет собой интересную особенность ПЗС структур. Время переноса основной доли заряда

Временная зависимость заряда под затвором в процессе переноса

потери заряда под предыдущим затвором за время действия тактового импульса составляет

и при . Малые остаточные заряды величинойдиффундируют под затвором в течении времени диффузииДля уменьшения потерь заряда желательно, чтобы и время диффузии было меньше длительности тактового импульса, т.е. длина затвора достаточно мала.