Методы / Учебно пособие по лабораторным работам

ли, т. е. зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала. Имитационная модель выводит значение коэффициента усиления в относительных единицах, что следует учитывать при обработке экспериментальных данных.

Задание

1.Используя модель УБВ, исследуйте влияние значения концентрации донорной примеси на АЧХ усилителя. В протокол лабораторной работы внесите данные для трех значений N.

2.Используя модель УБВ, исследуйте влияние значения толщины пленки GaAs на АЧХ усилителя. В протокол лабораторной работы внесите данные для трех значений a.

3.Используя модель УБВ, исследуйте влияние значения расстояния между входной и выходной антенной на АЧХ усилителя. В протокол лабораторной работы внесите данные для трех значений L.

4.Используя модель УБВ, сравните влияние диффузии на АЧХ для моделей жесткой и свободной границ потока.

5.Определите, для какой границы потока (жесткой и свободной) можно достичь максимального усиления на более высоких частотах.

6.Подберите значение концентрации носителей заряда и толщины структуры УБВ, обеспечивающие усиление 40 дБ на частоте до 15 ГГц при расстоянии между антеннами 5 мм и 0.1.

Порядок выполнения работы

1.Запустите программу LabVIEW соответствующей иконкой в среде

Windows.

2.Загрузите файл с имитационной моделью: File → Open, далее выберите необходимый файл из каталога.

3.«Включите» модель, выбрав из функционального меню иконку .

4.Установите необходимые входные параметры и пронаблюдайте, как их изменение влияет на выходные параметры АЧХ. Зарисуйте графики.

5.«Выключите» установку, нажав кнопку ; после выполнения всех заданий выйдите из программы: File → Exit.

21

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Описание исследуемого прибора и принципа его действие.

3.Основные положения имитационной модели.

4.Отчет о выполнении заданий, проиллюстрированный графиками, численными примерами (входные и выходные параметры модели). Каждый график должен сопровождаться пояснениями, описывающими полученные с помощью имитационной модели результаты с точки зрения физики исследуемых процессов.

5.Общие выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы

1.Объясните причины возникновения ОДП в ТПС GaAs.

2.С помощью поле-скоростной характеристики v(E) GaAs поясните понятие коэффициента анизотропии.

3.Как в УБВ можно реализовать условия, соответствующие моделям жесткой и свободной границ для ВПЗ?

4.Что определяет максимально возможное расстояние между антенна-

ми?

5.Как влияет диффузия на распространение и усиление ВПЗ.

6.При какой границе потока (жесткой и свободной) на высоких частотах достигается максимум коэффициента усиления?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Целью лабораторной работы является изучение основных закономерностей работы приборов с зарядовой связью (ПЗС).В работе исследуется линейка ПЗС с трехфазным способом перемещения зарядовых пакетов, изучаются особенности влияния геометрических и электрофизических параметров структуры на процессы переноса зарядовых пакетов.

Основные положения

Основным элементом ПЗС являются однотипные МДП–структуры, сформированные на общей полупроводниковой подложке. Главный принцип работы ПЗС – эффект локализации зарядового пакета в потенциальных

22

«ямах», создаваемых в МДП–структурах с помощью потенциалов на управляющих электродах. Перемещение зарядовых пакетов вдоль структуры осуществляется подачей управляющих потенциалов на электроды, соединенные, например, по классической трехфазной схеме.

Поперечное сечение одной ячейки и линейки ПЗС представлено на рис. 4.1. Структура состоит из эпитаксиальной пленки кремния p-типа проводимости. На поверхность эпитаксиальной пленки нанесен слой диэлектрика и сформированы металлические контакты 1–6, которые подключаются к шинам управления по трехфазной схеме, т. е. импульсы управления подаются на соответствующие электроды со сдвигом по фазе на 120 градусов. Для реализации перемещения зарядовых пакетов в полупроводнике сформированы входной и выходной омические контакты метал–полупроводник n-типа.

Рис. 4.1. Поперечное сечение структуры ПЗС: а – линейка ПЗС; б –отдельная

ячейка: М – металл, Д – диэлектрик, ОО – область обеднения

Основным физическим принципом работы ПЗС является последовательная подача на металлические контакты напряжения и перевод МДП– конденсаторов в режим глубокого обеднения. В результате в полупроводнике под контактами формируется обедненная область, в которой могут храниться зарядовые пакеты. Последовательно подавая управляющие импульсы напряжения на контакты можно контролируемым образом перемещать пакеты вдоль поверхности полупроводника. ПЗС работают только в импульсном режиме. На рис. 4.2, а показаны последовательности импульсов, подаваемых на контакты структуры в соответствии с трехфазной схемой. Процесс передачи зарядовых пакетов от первого ПЗС-элемента к второму и от четвертого к пятому изображен на рис. 4.2, б. Форма обедненных областей и количество зарядов под затворами соответствует времени t' на рис. 4.2, а.

23

чина сравнима с глубиной потенциальной ямы. Продольное электрическое поле, возникающее при этом, пропорционально градиенту поверхностной плотности сигнального заряда:

где t0 L3WeCi , Q – начальная величина полного сигнального заряда, We –

2 nQ

ширина электрода, n – подвижность неосновных носителей заряда.

При отсутствии сигнального заряда на границе с диэлектриком возникает продольное электрическое поле – краевое поле. Величина этого поля зависит от толщины диэлектрика, длины управляющих электродов, концентрации легирующей примеси, амплитуды тактовых импульсов. На последних стадиях процесса переноса заряда, когда самоиндуцированное поле становится меньше краевого, именно этот механизм определяет стекание заряда.

Эффективность переноса заряда за время периода тактового импульса Т определяется соотношением:

Qперет t T .

Qполн t 0

При высоких тактовых частотах величина эффективности определяется скоростью переноса заряда между элементами ПЗС. Максимальная частота

будет обратно пропорциональна времени транспортировки заряда fmax 1

ttr

при заданной величине эффективности. Так, для обеспечения эффективности 99.99 % в ПЗС с длиной электрода 10 мкм тактовая частота импульсов не

должна превышать fmax 107 Гц.

При промежуточных частотах эффективность переноса определяется процессом захвата сигнальных электродов поверхностными ловушками.

На низких тактовых частотах главным фактором, определяющим работоспособность ПЗС, является темновой ток. Плотность темнового тока можно определить с помощью выражения:

25

где τ – время жизни неосновных носителей заряда; Dn – коэффициент диф-

фузии; Ln – диффузионная длина; S0 – скорость поверхностной рекомбина-

ции. Первое слагаемое формулы определяется объемной генерацией в обедненной области, второе слагаемое – диффузионным током генерации неосновных носителей, последнее слагаемое – ток поверхностной генерации.

Для работоспособности ПЗС тактовая частота должна быть достаточно велика, чтобы дополнительный заряд поступающий в сигнальный пакет за счет темнового тока составляет 0.001 от сигнального, т. е.

Qdark Jdark N 103,

Qsig pfCi s

где N – полное число электродов ПЗС-регистра; p – число фаз; s - макси-

мально допустимый перепад поверхностного потенциала в канале; f – тактовая частота импульсов. Величина минимальной тактовой частоты для 128затворного трехфазного ПЗС при толщине диэлектрика 0.1 мкм, плотности темнового тока 10-9 А·см-2 и s 5 В составляет примерно 1 кГц.

Экспериментальная установка

Имитационная модель, описывающая ПЗС создана средствами LabView (рис. 4.3). В центре модели представлено поперечное сечение линейки ПЗС, состоящей из 9 ячеек. Справа от линейки изображен входной омический контакт. (input gate). На экране серыми столбцами показаны границы областей глубокого обеднения – потенциальные ямы (potential well), красными столбцами схематично изображены зарядовые пакеты, хранящиеся в соответствующей потенциальной яме. В процессе моделирования на управляющие электроды каждой ячейки (gate 1-9) подаются импульсы напряжения в соответствии с трехфазной схемой питания. Последовательность значений напряжений выбрана такой, чтобы зарядовые пакеты переносились справа налево.

Входными параметрами модели являются: частота импульсов, подавае-

мых на затворы (frequency of voltage of the moving charge), геометрические параметры структуры, подвижность электронов (mobility), начальная величи-

на заряда (charge source Q0), концентрация ловушек (concentration of traps),

параметры определяющие темновой ток (dark current). В качестве геометрических параметров выбраны длина затвора (L gate) и сумма длины затвора и

26

3. Исследуйте влияние геометрических размеров структуры на частотные характеристики ПЗС.

Порядок выполнения работы

1.Запустите программу LabVIEW соответствующей иконкой в среде Windows.

2.Загрузите файл с имитационной моделью: File → Open, далее выберите необходимый файл из каталога.

3.«Включите» устройство, выбрав из функционального меню иконку .

4.Установите необходимые входные параметры и пронаблюдайте, как их изменение влияет на показатель эффективности переноса пакета заряда.

5.«Выключите» установку, нажав кнопку ; после выполнения всех заданий выйдите из программы: File → Exit.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Описание исследуемого прибора и принципа его действие.

3.Основные положения имитационной модели.

4.Отчет о выполнении заданий, проиллюстрированный графиками, численными примерами (входные и выходные параметры модели). Каждый график должен сопровождаться пояснениями, описывающими полученные с помощью имитационной модели результаты, с точки зрения физики исследуемых процессов.

5.Общие выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы

1.Как формируется потенциальная яма в ПЗС?

2.Каким образом в ПЗС осуществляется перенос зарядового пакета? Поясните работу трехфазной системы переноса.

3.Какие процессы влияют на минимальную частоту работы ПЗС?

4.Какие процессы влияют на максимальную частоту работы ПЗС?

5.Как устранить влияние поверхностных состояний на перенос зарядовых пакетов?

6.На какие параметры ПЗС влияет подвижность носителей заряда?

7.Что такое коэффициент передачи?

28

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Кондрашов А. В., Михайлов Н. И., Перепеловский В. В. Транзисторные структуры в электронике и наноэлектронике: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018.

2.Зи С. Н. Физика полупроводниковых приборов. Т.1,2. М.: Мир, 1984.

3.Барыбин А. А. Волны в тонкопленочных полупроводниковых структурах с горячими электронами. М.: Наука, 1986.

29

30