3.3.3 Варианты структур элементов пзс

Одной из важнейших функций ПЗС является задержка входного импульса на точно заданное время. Эта функция реализуется в применении ПЗС в качестве сдвигового регистра (или совокупности параллель-ных сдвиговых регистров). Для сдвигового регистра, изображенного на рисунке 3.33,а, требуется трехтактная последователь-ность импульсов. В процессе работы регистра каждый электрод поочередно становится передающим, принимающим, блокирую-щим (см. рис. 3.33, б), чем обеспечивается движение потенциальных ям вдоль поверхности полупроводника, а значит, и перенос заряда.

Вторая функция ПЗС связана с возможностью сравнительно длительного хранения информации после прерывания последовательности управляющих (тактовых) импульсов, после того, как инжектированные дырки расположились в соответствующих МДП-ячейках. После возобновления тактовых импульсов записанные зарядовые пакеты поступают на выход. Устройства хранения такого типа обеспечивают выборку с последовательным доступом к хранимым пакетам. Емкость таких запоминающих устройств превышает (8–16) кбит. Чтобы обеспечить хранение более (5–10) mC, необходимо периодически осуществлять регенерацию (восстановление) записанных зарядовых пакетов.

Третья уникальная функция ПЗС связана с тем, что генерацию носителей заряда для последующего перемещения можно инициировать путем локального освещения поверхности. При этом под соответствующим затвором образуется заряд, пропорциональный освещенности, так как под действием света образуются электронно-дырочные пары и носители одного из типов сепарируются в потенциальных ямах под электродами. Если освещенность на разных участках разная, то совокупность зарядов под затворами будет характеризовать изображение, спроектированное на ПЗС. Подачей тактирующих управляющих фазных напряжений на выходе ПЗС выделяется последовательность импульсов, амплитуды которых пропорциональны освещенности разных участков поверхности, — принцип, широко используемый в телевидении. Именно эта функция определила преимущественное применение ПЗС в твердотельных фото- и кинокамерах и приборах ночного видения.

Для передачи заряда в требуемом направлении необходима асимметрия потенциальных ям, которая при трехтактном управлении обеспечивается асимметрией формы управляющих сигналов. Классическому методу трехфазного управления и свойственны следующие недостатки:

• для хранения одного дырочного пакета необходимы три смежных МДП-элемента, что снижает эффективность использования площади;

• во избежание пересечений металлическая разводка каждой фазы должна располагаться в своей плоскости, т.е. необходима трехслойная металлизация;

• близкое взаимное расположение МДП-элементов (2–3 мкм) повышает процент брака изготавливаемых изделий.

Асимметрия потенциальных ям может быть обеспечена изменением конструкции ПЗС элементов в части ее структуры и системы тактирования. Вариантконструкции с двухтактным управлением и несимметрией конструкции элемента изображен на рисунке 3.34, а. В этом элементе для асимметрии в передаче зарядовых пакетов проводится легирующая диффузия (или ионная имплантация). Поверхностный потенциал под электродами будет иметь вид, показанный на рисунке 3.34, б. Скачки потенциалов в сильно легированных участках полупроводника предотвращают в момент передачи заряда его движение в противоположном от требуемого направлении (рис. 3.34, в). Особенностью элемента является неполная передача заряда от передающего электрода к принимающему (рис. 3.34, г). Из-за имеющихся потенциальных барьеров возникает «ловушка» для носителей и часть заряда остается под передающим электродом. При этом снижения коэффициента передачи не происходит. Потери заряда снижаются благодаря тому, что процесс захвата носителей поверхностными ловушечными центрами приводит к меньшим потерям заряда, если логическому нулю соответствует некоторый (фоновый) заряд.

Асимметричные потенциальные ямы можно получить, и не проводя диффузию примеси в подложку, а создав на границе раздела двух диэлектриков Si₃N₄ и SiO₂ заряд требуемого знака и величины. Для этого на пластине изготавливается система электродов (cм. рис. 3.35, а), к которой прикладывается напряжение величиной 30–50 В. Электроны, туннелируя через тонкий (2–5) нм слой двуокиси кремния, захватываются энергетическими состояниями, имеющимися на границе раздела двух диэлектриков (вариант структуры МНОП). После снятия напряжения такая МДП-структура способна хранить заряд в диэлектрике очень долго. Время хранения обусловлено токами утечки диэлектрика и исчисляется годами.

Напылением алюминия изготавливается новая система электродов, сдвинутых относительно первоначальных на (5–10) мкм. Полная структура иллюстрируется рисунком 3.35, б. На рисунке 3.35, в изображен профиль поверхностного потенциала вдоль электродов. Одинаковое распределение потенциала в рассматриваемом и предыдущем элементах обусловливает и одинаковый механизм передачи заряда от одного электрода к другому. Динамические элементы, выполненные на ПЗС с двухслойным диэлектриком, характеризуются пониженными требованиями к точности фотошаблона, по которому исполняется литография электродов ПЗС.

Недостатки трехтактных ПЗС устраняются кардинальным образом, если для изготовления ПЗС применить технологию МДП-приборов с кремниевыми или молибденовыми затворами. В этом случае одна группа электродов изготавливается из тугоплавкого материала (поликристаллический кремний, молибден), а в качестве материала другой группы электродов используется алюминий (см. рис. 3.36,а). Разная толщина окисла под одной и под другой группами электродов приводит в момент to передачи заряда (см. рис. 3.36, б) к такому распределению потенциала (см. рис. 3.36, в), при котором исключается движение заряда в нежелательном направлении. Здесь так же, как и в рассмотренных элементах, требуется лишь две серии тактовых импульсов. В отличие от рассмотренных двухтактных ПЗС на пластине отсутствуют области с незащищенным тонким окислом. Расстояние между соседними электродами в приборах с двухслойной металлизацией определяется толщиной диэлектрика и составляет (0,1–0,2) мкм, что много меньше, чем в иных вариантах ПЗС и благоприятно сказывается на быстродействии элементов.

Поскольку кремниевые затворы расположены ближе к полупроводнику, чем алюминиевые, глубина обедненного слоя оказывается разной в пределах одного элемента. Такая разница сохраняется и в режиме записи. Именно поэтому переместившийся заряд не может вернуться к предыдущему элементу, несмотря на двухфазное питание. В этой структуре обеспечиваются более высокие плотность компоновки и степень интеграции элементов и большее быстродействие (f_max = 20–50 МГц).

Передачу информации в ПЗС, выполненных с использованием кремниевых или молибденовых затворов, можно осуществить в обоих направлениях при помощи четырехфазной системы тактовых импульсов (при этом рядом расположенные электроды должны быть разомкнуты). Реверсирование осуществляется изменением порядка следования тактовых импульсов.

В рассмотренных вариантах конструкций ПЗС перенос заряда от одного электрода к другому происходил у поверхности раздела «полупроводник-диэлектрик» (ПЗС с поверхностным переносом заряда). Для ПЗС этого типа свойственны два основных недостатка:

• существенное влияние поверхностных состояний, захватывающих часть носителей и уменьшающих таким образом эффективность переноса заряда;

• наличие поверхностного рассеяния, из-за которого подвижность носителей в приповерхностном слое в (5–10) раз меньше объемной, в итоге имеет место пониженное быстродействие ПЗС.

Большего быстродействия удается достигнуть в структуре ПЗС со скрытым углубленным каналом, изображенной на рисунке 3.37, а. На подложке n-типа выращен эпитаксиальный n-слой толщиною несколько микрон. Распределение потенциала в такой структуре при отрицательном смещении на затворах и при Up = 0 показано на рисунке 3.37, б штриховой линией. Если задать на р-слое достаточно большое отрицательное напряжение — Up, то p-n-переход окажется под обратным смещением, близким к Up, и распределение потенциала будет таким, как показано на рисунке 3.37, б непрерывными линиями. Минимум потенциала, как видно по рисунку, переместился от границы с диэлектриком вглубь р-слоя. Именно в этой области будут теперь располагаться дырочные пакеты. Таким образом, ПЗС с заглубленным скрытым каналом характерны тем, что зарядовые пакеты изолированы от поверхности и находятся в объеме полупроводника. Соответственно увеличивается подвижность носителей и устраняется влияние приповерхностных ловушек. Оба эти фактора способствуют повышению быстродействия и уменьшению коэффициента потерь. В таких ПЗС диэлектрический слой не обязателен. Приборы, в которых металлический электрод контактирует непосредственно с полупроводником, получили название ПЗС с барьером Шоттки.

В разновидности ПЗС с двумя p-n-переходами в качестве управляющего электрода используется диффузионная область (р-область для подложки n-типа). В таких ПЗС полностью исключаются нежелательные эффекты, свойственные МДП-структурам и обусловленные наличием поверхностных состояний на границе раздела полупроводник — диэлектрик.

Для ПЗС со скрытым каналом максимальная рабочая частота достигает (500–800) МГц при коэффициенте потерь (10^–6–10^–7). При этом количество МДП-элементов на кристалле может составлять несколько десятков тысяч и более. Заглублению потенциальных ям в рассматриваемой структуре относительно поверхности соответствует повышение рабочих напряжений и уменьшение максимального заряда в пакете в сравнении с ПЗС с поверхностными каналами.