- •Л.А. Торгонский
- •Содержание
- •1 Введение 6
- •2 Проектирование элементов и кристаллов биполярных имс 19
- •3 Элементы и кристаллы имс на полевых структурах 197
- •1 Введение
- •1.1 Термины и определения предметной области
- •1.2 Классификация микросхем
- •1.3 Обозначение имс
- •1.4 Конструкции и состав имс
- •1.5 Цели и задачи изучения дисциплины
- •1.6 Этапы проектирования микросхем
- •2 Проектирование элементов и кристаллов биполярных имс
- •2.2 Состав радиоэлементов бпт имс
- •2.3 Материалы имс
- •2.3.1 Введение
- •2.3.2 Кристаллические материалы имс
- •2.4 Изоляция элементов
- •2.5 Технологические слои структур бпт имс
- •2.6 Кремниевые пластины с эпс
- •2.7 Кремниевые пластины с эпс и скрытыми слоями
- •2.8 Кремниевые пластины с полной диэлектрической изоляцией карманов
- •2.9 Арсенид галлия в производстве имс
- •2.10 Технологические варианты структур бпт
- •2.11 Параметры слоев структур бпт имс
- •2.11.1 Оценка параметров слоя
- •2.12 Проектирование бпт
- •2.12.1 Введение
- •2.12.2 Функциональные параметры бпт
- •2.12.3 Расчетные соотношения оценки параметров бпт
- •2.12.4 Проектирование топологии бпт
- •2.12.5 Объемные формы и габаритные размеры элементов имс
- •2.12.6 Межэлектродные сопротивления бпт
- •2.12.7 Зависимость коэффициента передачи от топологии
- •2.12.8 Параметры быстродействия транзистора
- •2.13 Алгоритм проектирования бпт
- •2.14 Диоды ис
- •2.14.1 Общие замечания
- •2.14.2 Структуры интегральных диодов
- •2.14.3 Топологические конфигурации диодов
- •2.14.4 Проектные параметры диодов
- •2.14.5 Схема замещения диода
- •2.14.6 Алгоритм проектирования диодов
- •2.14.7 Диоды Шоттки в структурах бпт
- •2.15 Модификации бпт специального назначения
- •2.15.1 Общие сведения
- •2.15.2 Многоэмиттерный бпт
- •2.15.3 Многоколлекторный бпт
- •2.15.4 Транзисторы с контактными переходами Шоттки
- •2.15.5 Транзисторы с продольной структурой
- •2.15.6 Транзисторы со сверхтонкой базой
- •2.15.7 Транзисторы приборов совмещенных технологий
- •2.16 Резисторы полупроводниковых имс
- •2.16.1 Общие замечания
- •2.16.2 Структуры резисторов полупроводниковых имс
- •2.16.3 Топологические конфигурации резисторов
- •2.16.4 Проектные параметры резисторов
- •2.16.5 Расчетные соотношения
- •2.16.6 Алгоритм проектирования полупроводниковых резисторов
- •2.17 Конденсаторы биполярных имс
- •2.17.1 Общие сведения
- •2.17.2 Конденсаторы на основе р-n-перехода
- •2.17.3 Конденсаторы со структурой моп
- •2.17.4 Параметры конденсаторов бпт имс
- •2.17.5 Алгоритм проектирования конденсаторов бп имс
- •2.18 Соединения и контакты бпт имс
- •2.18.1 Общие сведения
- •2.18.2 Материалы и структуры соединений и контактов
- •2.18.3 Параметры и размеры соединений и контактов
- •2.19 Базовые элементы цифровых биполярных микросхем
- •2.19.1 Введение
- •2.19.2 Элементы транзисторно-транзисторной логики
- •2.19.3 Элементы ттл с приборами Шоттки
- •2.19.4 Элементы эмиттерно-связанной логики
- •2.19.5 Элементы инжекционной логики (и2л)
- •2.19.6 Элементы и2л с диодами Шоттки
- •2.20 Кристаллы ис
- •2.20.1 Введение
- •2.20.2 План кристалла
- •2.20.3 Сокращение потерь площади рабочей кристалла
- •2.20.4 Проектирование топологии ис на бпт
- •3 Элементы и кристаллы имс на полевых структурах
- •3.1 Проектирование полевых структур
- •3.1.1 Введение
- •3.1.2 Структуры и классификация мдп-транзисторов
- •3.1.3 Вольтамперные характеристики мдп-транзистров
- •3.1.4 Параметры мдп-транзистора и расчетные соотношения
- •3.1.5 Конструкции мдп-транзисторов
- •3.1.6 Алгоритмы проектирования мдп-транзисторов имс
- •3.2 Элементы цифровых имс на мдп-транзисторах
- •3.2.1 Введение
- •3.2.2 Защита конструкций мдп-микросхем
- •3.2.3 Логический инвертор с пассивной нагрузкой мдп
- •3.2.4 Логический инвертор с активной нагрузкой мдп
- •3.2.5 Логические элементы на мдп-структурах
- •3.2.6 Совмещенные биполярнополевые структуры
- •3.2.7 Полевые элементы устройств хранения информации
- •3.2.8 Проектирование топологии ис на мдп
- •3.3 Полевые структуры с зарядовой связью
- •3.3.1 Введение
- •3.3.2 Приборы с зарядовой связью (пзс)
- •3.3.3 Варианты структур элементов пзс
- •3.3.4 Ввод и детектирование заряда в пзс
- •3.3.5 Параметры пзс
- •3.3.6 Транзисторы с зарядовой связью (тзс)
- •3.3.7 «Пожарные» мдп-цепочки
- •3.3.8 Проектирование пзс
- •Список литературы
3.3.4 Ввод и детектирование заряда в пзс
Ввод заряда под первый электрод может быть осуществлен по-разному. Может использоваться явление пробоя приповерхностного слоя полупроводника, происходящее в том случае, если на электрод подать импульс достаточной амплитуды с малой длительностью (рис. 3.38, а). Так, для кремниевой подложки с ρ≈10 Омсм и толщиной диэлектрика Хд = 0,12 мкм требуемое для пробоя напряжение составляет (150–160) В.
Ввод заряда под первый электрод может производиться при помощир-n-перехода, который при подаче отрицательного напряжения на первый электрод смещается в прямом направлении и инжектирует дырки в приповерхностную область полупро-водника, контролируемую пер-вым электродом (см. рис. 3.38, б). Инжекция носителей может осуществляться и при помощи диода с барьером Шоттки.
Подвижный заряд под электродами можно собрать, подвергнув противоположную поверхность полупроводника действию света (см. рис 3.38, в). В этом случае происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар, стимулирующая поток дырок под электроды.
Первый способ привлекателен тем, что не нужно проводить диффузию примеси в подложку. Но при построении цифровых устройств (сдвиговых регистров, ЗУ) используется второй способ, так как в этом случае отпадает необходимость в источнике высокого напряжения.
Последний способ используется в устройствах, преобразующих световое изображение в электрический сигнал (в устройствах формирования сигналов изображений).
Детектирование (выделение) сигнала выполняется следующими способами:
подачей на выходнойэлектрод импульса напряжения, создающего ток подложки (рис. 3.39, а);
контролем импульса напряжения (рис. 3.39, б) на емкостномделителе (предварительно усиленного МДП-транзистором), поскольку от количества носителей зависит величина емкости «затвор — подложка»;
контролем инжекции заряда в обедненную область р-n-перехода, создающим кратковременный импульс тока, регистрируемый во внешней цепи (рис. 3.39,в).
3.3.5 Параметры пзс
Период Т напряжения каждой фазы состоит из трех интервалов записи (Тзап) и трех интервалов хранения (Тхр) (для наглядности эти три пары интервалов заштрихованы на рисунке 3.28, б)
Т = 3 (Тхр + Тзап)=1/F, (3.28)
где F — частота передачи пакета заряда.
Максимальная частота передачи достигается при условии Тхр<< Тзап
Fmax = 1/(3×Тзап). (3.29)
Время записи Тзап должно быть достаточным для возможно более полной передачи заряда от одного элемента хранения к другому.
Общая задержка Тз между выходным и входным импульсами определяется числом МДП-элементов N
Тз = (N–1)Т/3. (3.30)
Количественной характеристикой полноты передачи заряда является коэффициент эффективности η
η = 1 – ∆Q/Q = 1 – ε, (3.31)
где Q — передаваемый заряд;
∆Q — потеря заряда при передаче;
ε — коэффициент потерь.
Если при передаче заряды между двумя смежными элементами коэффициент эффективности равен (1– ε1), то для устройства, содержащего N ПЗС элементов, он не превысит (1 — N ε1). Допустимое количество элементов зависит от единичного коэффициента потерь ε1, который, как отмечалось, зависит от длины электрода и расстояния (зазора) между электродами. При зазоре (2–3) мкм и Тзап = (20–50) нС получается ε1 = (2–5)×10– 4, что позволяет применять в одной линейке до нескольких сотен элементов.
Одним из способов уменьшения коэффициента потерь является нейтрализация влияния ловушек (см. выше). Для этого, в частности, используется так называемый фоновый заряд, который вводится в ПЗС специально для того, чтобы заполнить ловушки и тем самим предотвратить захват ими дырок из рабочего зарядового пакета. Использование фонового заряда позволяет уменьшить коэффициент потерь почти на порядок.
Значениям Тзап = (20–50) нс соответствует максимальная частота Fmax = (6–15) МГц. При максимальной рабочей частоте, когда хранение по существу отcутствует, заряд непрерывно передается от одного МДП-элемента к другому.
Минимальная частота соответствует обратному условию Тхр >> Тзап.
Время хранения ограничено сверху. Оно должно быть настолько малым, чтобы за время транспортировки заряда Q через линейку ПЗС, это время составляло (N–1)Тхр, накопившийся паразитный заряд Qпар не превышал допустимое значение ∆Q.
Примечание: При Qпар = 0,1×Q и N = 400, за время хранения паразитный заряд в потенциальном яме должен составить не более 0,1 % от полезного. Так как Тхр ≈ (1–10) mС, то соответственно Fmin > (30–300) Гц.
Достоинством ПЗС является малое энергопотребление. Токи в затворах протекают только при передаче и записи заряда. В режиме хранения мощность практически не потребляется. Поэтому максимальная мощность за период передачи одного пакета с учетом равенств (3.21) и (3.29) запишется следующим образом:
Рmax =Qmax×(U3–U2)/3×Тзап ≈(U3–U2)2 Z×L×Co×Fmax.
Для типичных значений (U3 –U2) = 10 В; Z = 20 мкм; L = = 10 мкм; Сo = 200 пФ/мм2 и Fmax=10 МГц; Pmax= 4 мкВт/бит.