3.2.8 Проектирование топологии ис на мдп

В отличие от биполярных, спецификой ИС на МДП транзисторах с каналами одного типа проводимости является отсутствие изолирующих областей, так как потенциал подложки таких ИС одинаков. Для n-канальных транзисторов МДП потенциал подложки равен минимальному, а для р-канальных транзисторов — максимальному. Обычно этим потенциалом явля­ется потенциал общего провода соединений. Кристаллы одноканальных структур МДП могут изготавливаться на од­нородных пластинах, без применения эпитаксиальных слоёв. Для изготовления таких структур МДП процесс диффузии может быть однократным, что обеспечивает высокую плотность компоновки МДП ИС.

Названных достоинств лишены кристаллы ИС на комплементарных МДП транзисторах (КМДП). Для них требуется создавать на пластине диффузионные области с типом проводимости, противоположным типу проводимости основной пластины, что приводит к снижению плотности компоновки КМДП ИС, снижая её до плотности компоновки биполярных ИС.

3.3 Полевые структуры с зарядовой связью

3.3.1 Введение

Развитием приборов со структурой МДП стали приборы, в основу функционирования которых положен пространственный направленный перенос поверхностного заряда. Такие приборы получили наименование полевых приборов с зарядовой связью [3, 4, 7, 11]. Приборы на структурах с зарядовой связью, в свою очередь, привлекли пристальное внимание специалистов, проектирующих и эксплуатирующих ИС, благодаря уникальным возможностям по преобразованию оптических и иных излучений в кодированные электрические сигналы. На их основе реализованы твердотельные фото- и кинокамеры, приборы ночного видения. Компактность базовых элементов ПЗС содействовала повышению степени функциональной интеграции, повышению надежности, снижению энергопотребления и массогабаритных показателей микроэлектронных устройств хранения и обработки информации.

В элементах, работающих по принципу поверхностного переноса заряда, хранение и транспорт энергетических пакетов, как правило, не сопровождаются усилением сигнала. Элементы, в которых используется принцип поверхностного переноса заряда, подразделяются на три группы:

• приборы с зарядовой связью (ПЗС);

• транзисторы с зарядовой связью (ТЗС);

• транспортные цепочки МДП-тразисторов и МДП-конден-саторов (так называемые «пожарные» цепочки).

3.3.2 Приборы с зарядовой связью (пзс)

Принцип работы ПЗС основан на хранении подвижных носителей заряда в потенциальных ямах, созданных на поверхности полупроводника, и движении этих носителей в направлении движения потенциальной ямы. На рис. 3.30 изображена структура прибора.

Если к среднему электроду (рис. 3.30, а) приложить напряжение, полярность которого соответствует полярности основных носителей в полупроводнике подложки (для n-подложки отрицательное), то в приповерхностном слое полупроводника под металлическим электродом образуется обедненная подвижными носителями область. Глубина области зависит от приложенного напряжения и физико-электрических характеристик МДП-струк-туры. Потенциал поверхности полупроводника, расположенный под средним электродом, оказывается более отрицательным, чем потенциал смежных участков, вследствие чего для дырок возникает потенциальная яма, выделенная на рисунке штриховыми линиями.

Такое состояние не может сохраняться сколь угодно долго, и рано или поздно образуется приповерхностный инверсный слой, аккумулирующий неосновные носители, в данном случае дырки.

Время, в течение которого происходит накопление дырок, примерно равно времени, в течение которого хранится заряд на запоминающих конденсаторах в ранее рассмотренных динамических элементах, поскольку в обоих случаях имеет место один и тот же процесс накопления дырок (генерация электронно-дырочных пар в обедненной области полупроводника). Таким образом, в течение определенного промежутка времени возможно хранение информации в такой потенциальной яме в виде наличия заряда или его отсутствия.

Если в приповерхностном слое полупроводника имеется некоторая порция подвижного заряда, то ширина обедненной области и величина поверхностного потенциала уменьшаются тем сильнее, чем больше подвижных носителей содержит инверсный слой. Максимальный заряд подвижных носителей Qk, аккумулируемый в приповерхностном слое полупроводника, зависит от разности напряжений на смежных затворах МДП-структуры, удельной емкости Со диэлектрика под электродом и его площади

Qk= Co(U2–U1)ZL. (3.21)

Для перемещения заряда из одной потенциальной ямы в другую нужно к последующему электроду приложить более отрицательное напряжение (см. рис. 3.30, а). Для хранения и записи зарядовых пакетов необходимо напряжения на затворах устанавливать в строгой последовательности.

Типичная 3-фазная схема управления ПЗС со вводом и выводом неравновесного дырочного заряда с помощью р-n-пе-реходов изображена на рисунке 3.31. Напряжения фаз А, В и С подаются на каждый третий затвор ПЗС (см. рис. 3.31, а) и сдвинуты друг относительно друга на 1/3 периода (см. рис. 3.31, б). Напряжение U₁ задается в виде постоянного смещения на все затворы. Напряжения U₂ и U₃ получаются наложением импульсов специальной формы на это смещение (форма импульсов показана точками на кривой (Uс в интервале t₄…t₆).

Для напряжений на затворах на интервале t₁, таких, как показано на рис. 3.31, б, после инжекции в начале этого интервала через входной p-n-переход носителей заряда под первый затвор (для этого к p⁺-n-переходу нужно приложить импульс прямого напряжения), инжектированные носители будут сохраняться под первым затвором, так как на нем действует большее отрицательное напряжение, чем на втором.

В интервале t₂ на фазу В подается максимальное напряжение записи Uз. При этом носители заряда переходят от первого затвора ко второму.

В интервале t₃ напряжение на фазе В уменьшается до значения U₂, соответствующего режиму хранения. Одновременно напряжение на фазе А уменьшается от значения U₂ до U₁, что предотвращает возврат носителей под первый затвор. В интервала t₄, когда напряжение записи U₃ подается на фазу С и осуществляется сдвиг заряда из-под второго затвора к третьему и так далее.

На интервале t₁₂ напряжение записи Uз подается на седьмой (последний) затвор. Поскольку на выходном р⁺-n-переходе действует обратное смещение, носители, переходящие от шестого затвора к седьмому, тотчас же захватываются полем перехода и дают импульс тока в выходной цепи. Этим заканчивается транспортировка заряда, инжектированного в интервале t₁. Новые пакеты подвижных носителей заряда можно вводить через входной р⁺-n-переход во время транспортировки ранее введенного заряда.

Типичные значения напряжений хранения и записи (U₂ и U₃) составляют соответственно (10–15) В и (20–25) В. Напряжение смещения U₁ близко к пороговому напряжению МДП-элементов (2–4) В.

Если расстояние между электродами соизмеримо с глубиной обедненной области (2–4 мкм), то в зазоре между передающим и принимающим электродами образуется продольное поле, обеспечивающее дрейф носителей к области принимающей потенциальной ямы. По мере уменьшения числа носителей в передающей потенциальной яме ее глубина увеличивается, тогда как глубина принимающей потенциальной ямы уменьшается. При прочих равных условиях время записи уменьшается с уменьшением расстояния между затворами, с увеличением подвижности носителей и напряжения записи.

Полная передача носителей будет иметь место, если потенциал поверхности полупроводника под принимающим электродом станет более отрицательным, чем под передающим. Это условие определяет выбор напряжения для передающего электрода. Напряжение на принимающем электроде может быть определено по формуле

Uзпр= [Uзпер+(Qkпер/Qk)(Uзпер–Uo)], (3.22)

где Qkпер — передаваемый заряд;

Qk — максимальный заряд передающей области.

Важнейшим параметром ПЗС является коэффициент передачи, характеризующий эффективность передачи заряда от одной области полупроводника к другой, выраженный или в относительных единицах, или в процентах. Так как в ПЗС отсутствует механизм усиления информационного сигнала, то потери передачи заряда от одного электрода к другому определяют функциональные возможности устройств на элементах ПЗС. Для примера, 1024-разрядный двухтактный сдвиговый регистр представляет собой цепочку из 2048 электродов, а передача заряда со входа на его выход с эффективностью 80 % требует, чтобы коэффициент передачи заряда между соседними электродами был бы не менее 99,99 %.

Потеря заряда в ПЗС происходит по двум причинам. Во-первых, это обусловлено тем, что в течение конечного времени весь заряд не успевает перейти от одного электрода к другому. Во-вторых, часть заряда захватывается быстрыми поверхностными состояниями, всегда имеющимися на границе раздела полупроводник — диэлектрик и играющими роль ловушек для подвижных зарядов. Если в первом случае увеличение длительности импульса (уменьшение частоты работы) позволяет уменьшить потери заряду, то во втором, наоборот, с увеличением длительности импульсов увеличивается количество зарядов, захваченных ловушечными центрами. Естественно, что процесс передачи заряда должен происходить с такой скоростью, при которой коэффициент передачи, обусловленный обоими факторами, был бы максимальным. Так или иначе, увеличение быстродействия ПЗС позволяет расширить диапазон частот, в котором передача заряда осуществляется с высокой эффективностью.

Поток носителей заряда в любой приповерхностной точке подложки обусловлен действием трех факторов:

• диффузией со средним коэффициентом диффузии D, вследствие градиента концентрации носителей;

• дрейфом, вследствие внутренней продольной напряженности электрического поля Еун, обусловленной градиентом концентрации носителей заряда;

• дрейфом, вследствие продольной напряженности электрического поля Еуu, обусловленной различием напряжений на смежных электродах ПЗС (│Uбл│<│Uпер│<│Uпр│).

Время передачи заряда и быстродействие элемента ПЗС в основном ограничиваются потоком носителей, движущихся под передающим электродом. Модель элемента к иллюстрации процесса переноса заряда в ПЗС показана на рисунке 3.32.

Процесс диффузионного переноса под передающим электродом характеризуется постоянной времени

τ_d ≈ 0,4 L²/D, (3.23)

где D — коэффициент диффузии носителей в приповерхностном слое подложки.

Продольное поле Еyн= –∂φ_пов/∂y сокращает время передачи заряда. Соответствующий дрейфовый поток при этом характеризуется «эквивалентным коэффициентом диффузии» Dэ

Dэ ≈ D×(q×po/Ft×Co)×(p/po), (3.24)

который в начальный момент (перед началом перемещения носителей) при р=ро и (q×po/Ft×Co)= (Uпер–Uo) = 5 B равен 200×D, т.е. превосходит в 200 раз чисто диффузионный и становится сравнимым с диффузионным при спаде концентрации под передающим электродом до значения р = ро/200.

Благодаря влиянию Еун уменьшение концентрации носителей под передающим электродом в 100 раз происходит за время t1= τ_d.

Время перемещения заряда под передающим электродом от одного его края до другого под влиянием ускоряющего поля Еуu может быть оценено по выражению

To ≈ [ L³/(6,5μ×Xd×│Uпр–Uбл│)]×[1+1/(5×Xo/L)]⁴. (3.25)

В формуле (3.25) глубина обедненной области Хо определяется по выражению

Xo = √[2× ε_п×│φ_пов │/ (q×N_пов)], (3.26)

в котором при изменении заряда подвижных носителей от нуля до 0,8×Qk отношение (φ_пов / Uз) линейно снижается от 0,8 до 0,2 (Uз — напряжение на затворе передающей или принимающей области) и соответственно отношение удельных емкостей «затвор — подложка» и Со повышается с 0,1 до 0,2.

Ускоряющее электрическое поле Еуu при дрейфе носителей заряда не остается постоянным. Кроме этого, сказывается влияние области, примыкающей к блокирующему электроду (стороны, противоположной принимающему электроду). Поэтому время, необходимое для перемещения 99,99 % заряда под передающим электродом, превосходит значение То.

Числовые оценки показывают, что время снижения концентрации носителей под передающим электродом в 10⁴ раз может быть оценено как Т= 4То. Около 50 % носителей заряда переносится под принимающий электрод под влиянием поля Еун. В последующем переносе влияние оказывают Еун и Еуu, причем напряженность поля Еун оказывает тормозящее действие, которое снижается по мере уменьшения числа носителей заряда под передающим электродом. Поле Еуu существенно сокращает время передачи заряда под принимающий электрод. В отсутствие этого поля необходимое время для передачи заряда с потерями не более 0,01 % оставило бы величину, равную

Т ≈ 6,2× τ_d = 2,5× L²/(Ft×μ). (3.27)

Ускоряющее поле Еуu сокращает время передачи Т в десятки раз. Поле Еуu увеличивается с ростом глубины обеднения Хо. Уменьшение концентрации примеси с 10¹⁵ см^–3 до 2×10¹⁴см^–3 сокращает время переноса заряда примерно на 30 %, причем выигрыш увеличивается по мере увеличения длины электрода.