ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

240

пряженность 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 τd = 2,5 L2/(Ft μ). (3.27)

Ускоряющее поле Еуu сокращает время передачи Т в десят-

ки раз. Поле Еуu увеличивается с ростом глубины обеднения Хо. Уменьшение концентрации примеси с 1015 см–3 до 2 1014см–3 со-

кращает время переноса заряда примерно на 30 %, причем выигрыш увеличивается по мере увеличения длины электрода.

3.3.3 Варианты структур элементов ПЗС

Одной из важнейших функций ПЗС является задержка входного импульса на точно заданное время. Эта функция реали-

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

241

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.

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 диэлек-

триков Si3N4 и SiO2 заряд требуемого знака и вели-

чины. Для этого на пластине изготавливается

система электродов (cм. рис. 3.35, а), к которой

244

пульсов. 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 (fmax = 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-

245

а б

Рисунoк 3.37

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 МДПструктурам 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 поверх-

246

ности соответствует повышение рабочих напряжений и уменьшение максимального заряда в пакете в сравнении с ПЗС с поверхностными каналами.

3.3.4 Ввод и детектирование заряда в ПЗС

Ввод заряда под первый электрод может быть осуществлен поразному. 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 помощи р-n-перехода, ко-

торый при подаче отрицательного напряжения на первый электрод смещается в прямом

направлении и инжектирует дырки в приповерхностную область полупро-водника, контролируемую пер-вым электро-

дом (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.

247

Последний способ используется в устройствах, преобразующих световое изображение в электрический сигнал (в устройствах формирования сигналов изображений).

Детектирование (выделение) сигнала выполняется следую-

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)

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 импульса-

248

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 по-

зволяет 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 соответст-

венно Fmin > (30–300) Гц.

249

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.

3.3.6 Транзисторы с зарядовой связью (ТЗС)

Принцип работы ТЗС, подобно ПЗС, основан на хранении и движении заряда в приповерхностном слое полупроводника. В отличие от ПЗС, в ТЗС этот процесс переноса заряда контролируется дополнительным электродом, расположенным в промежутке между

ника (3). Область полупроводника, находящуюся под электродами источника и приемника, называют

соответственно источником и приемником. Горизонтальная линия обозначает поверхность полупроводника. Электрод 4 обозначает подложку, стрелка на которой указывает на тип полупроводника, используемого в качестве подложки (обозначение на рис. 3.40, б соответствует подложке n-типа).

Процесс передачи заряда иллюстрируется рисунком 3.41. В момент времени, предшествующий передаче заряда от источника к приемнику (рис. 3.341, а), напряжение на источнике обеспечивает режим хранения заряда под этим электродом, а напряжение на приемнике должно быть более высоким, с тем чтобы гарантировать переход заряда под электрод приемника. Напряжение на передающем электроде установлено равным нулю, области полу-