Наноэлектроника лит-ра / dragunov

сказать, что во всех ямах под электродами Р2 находится зарядовый пакет. Если в момент t2+ на шину Р3 включить обедняющий потенциал, то заряд, бывший до этого под электродами Р2, перераспределится и окажется под обоими электродами Р2 и Р3.

Следующим шагом будет выключение обедняющего напряжения на шине Р2, после чего весь заряд окажется под электродами шины Р3.

Таким образом, мы осуществили один акт переноса зарядового пакета вдоль поверхности.

На рис. 2.5 (выделено внизу) также рассмотрен перенос заряда в одной трехэлектродной ячейке. Считается, что перенос заряда на один шаг заканчивается переходом его в следующую ячейку – пиксель1. Значит, для полного переноса необходимо совершить еще одно переключение тактового переключающего напряжения в момент t4 и t5. Из изложенного ясно, что наличие контактов ко всем тактовым шинам дает возможность одновременно переносить вдоль цепочки электродов несколько зарядовых пакетов.

Важно отметить, что напряжение на предыдущем электроде в момент последнего переключения должно соответствовать отсутствию обеднения, чтобы предотвратить движение заряда в обратную сторону.

В конструкциях таких передающих цепочек предусматривается и ограничение распространения заряда в сторону от линейки (поперек движения заряда). На рис. 2.6 приведены различные способы формирования этого ограничения [1].

Эти устройства должны решать двойную задачу. Необходимо не только ограничивать расплывание информационного заряда за границы ям, но и предотвратить неконтролируемый приток заряда в канал извне. Как видно из рисунка, этого можно достичь с помощью ограничивающих областей стоп-диффузии, толстого окисла со встроенным зарядом соответствующего знака и электродов специальной конфигурации.

Хотя все эти приемы должны обеспечить наличие слоя обогащения на границе раздела, однако толстый окисел подходит только для подложки кремния с ориентацией [111], где пороговое напряжение из-за встроенного заряда достигает 20 В. Обычно же при производстве ПЗС с n-каналом используют подложки p-типа с ориентацией [100], где выращенный окисел не содержит отрицательного встроенного заряда.

1 Такое название получили функциональные ячейки интегральных схем (ИС), содержащие однотипный для данной ИС набор элементов.

51

Рис. 2.6. Способы ограничения неконтролируемого распространения заряда поперек его движения вдоль линейки тактовых электродов. Сечения поперек направления движения:

а – стоп-диффузия; б – толстый слой окисла в сочетании со слабой стоп-диффузией; в – полевые электроды с напряжением, обеспечи-

вающим обогащение [1]

Использование полевого электрода требует дополнительных технологических усилий и подключения еще одного (обедняющего) напряжения. Все это исторически привело к практически однозначному выбору стоп-диффузии в качестве бокового ограничителя канала. Стопдиффузионные области наиболее жестко фиксируют поверхностный потенциал и, следовательно, точнее задают границы канала.

52

Необходимо отметить, что области стоп-диффузии не должны иметь слишком высокую степень легирования из-за опасности поверхностного пробоя.

Подчеркнем еще раз, что именно наличие трех электродов в пикселе дает возможность двигать зарядовый пакет в нужную сторону. Эта конструкция позволяет создавать барьер с одной стороны зарядового пакета и яму для стока – с другой.

Необходимо также все время помнить, что носители двигаются вдоль границы раздела, параметры которой определяют эффективность переноса.

Полностью ПЗС линейка, конечно, должна включать, кроме ряда МДП конденсаторов еще и входное и выходное устройства. Первое предназначено для ввода в прибор информационного заряда, второе – для его считывания.

Нас интересует ввод сигнала с помощью света, поэтому вопрос об электрическом вводе сигнала здесь подробно не будет рассматриваться. Желающим более подробно изучить эту сторону вопроса рекомендуем обратиться к работам [1 и 2].

Одной из важнейших особенностей приборов с зарядовой связью является их способность поддерживать целостность зарядовых пакетов при их переносе вдоль поверхности. Понятно, что этот перенос на практике не является ни абсолютно полным, ни мгновенным. Это накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и на полное количество переносов.

Видеализированной модели предполагается, что зарядовый пакет просто стекает со ступеньки потенциала. На самом деле основными физическими процессами, лежащими в основе переноса заряда, являются: а) тепловая диффузия, б) самоиндуцированный дрейф, в) продольные тянущие поля.

Впервый же момент при включении напряжения на электрод переноса носители заряда под влиянием тепловой диффузии начнут переходить под соседний электрод с более глубокой потенциальной ямой. Хотя эти процессы весьма слабы, тем не менее они вызовут возникновение определенного градиента концентрации носителей в направлении переноса. Так как концентрация носителей в поверхностном слое является однозначной функцией поверхностного потенциала, то, следовательно, возникает градиент последнего. Именно этот градиент и определяет величину самоиндуцированного продольного электрического поля (рис. 2.7).

53

Уравнение непрерывности для электронного (ns) зарядового пакета в этом случае можно записать в виде

Можно показать, что дрейф в самоиндуцированном поле во много раз превышает обычную тепловую диффузию (Dэфф >> Dn). Тепловая диффузионная компонента снова подключается и начинает играть определяющую роль, когда величина зарядового пакета под электродом хранения уменьшается в 2–3 раза.

Во всех предыдущих рассуждениях мы изображали потенциальные ямы в виде прямоугольных ступеней. В реальных приборах профиль потенциала размыт краевыми полями от соседних электродов, рис. 2.8. Эти же краевые эффекты вызывают появление электрических полей с продольной компонентой Еy. Присутствие таких тянущих полей ускоряет перенос остатка заряда.

Решая уравнения непрерывности для каждого из перечисленных эффектов, можно каждый раз находить искомые n (y, t) и определять таким образом величину заряда под электродом хранения после прекращения действия переноса.

Отношение величины заряда, перенесенного под следующий электрод, к заряду под электродом хранения называется эффективностью

54

U1 < U2 < U3

Еуmin

L l

Рис. 2.8. Конфигурация электрических полей, вызванных краевыми эффектами

переноса (η). На практике обычно считается удобнее пользоваться понятием потери или неэффективности переноса (ε). Понятно, что эти две величины связаны уравнением ε = 1 – η. Величины η и ε и являются одними из основных характеристик приборов ПЗС.

К условиям, уменьшающим эффективность переноса, относится и взаимодействие переносимого заряда с поверхностными состояниями захвата. На скорость переноса влияет также уменьшение подвижности вблизи поверхности в тонком инверсионном слое. Борьба с этими негативными явлениями идет, прежде всего, технологическими методами. Главное – уменьшение концентрации поверхностных состояний (ПС), которая в настоящее время достигла очень малой величины – 10–9 см–2 эВ–1. Несмотря на это при большом количестве переносов, а оно в некоторых случаях достигает ~ 103, используют конструкцию «объемного» или «скрытого» канала. Подложка для такой модификации ПЗС содержит эпитаксиальный слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости подложки, представленной на рис. 2.9.

Когда на p–n-переход, образованный эпитаксиальной пленкой n-типа и подложкой p-типа, подано напряжение смещения обратной полярности (обеднение), то вблизи границы раздела возникает потенциальная яма, а вдоль поверхности – связанный обедненный объемный канал (рис. 2.10). Электроны выводятся через омические контакты, подсоединенные к каналу.

Из рис. 2.10 видно, что потенциальная яма для электронов, соответствующая максимуму потенциала, находится не на границе окисел – кремний, а на некотором расстоянии от нее в объеме полупро-

55

водника. Это исключает вредное влияние поверхности, улучшая параметры ПЗС.

Рис. 2.9. Энергетическая диаграмма МДП-структуры с объемным каналом при отсутствии смещения

В остальном в ПЗС со скрытым каналом внешне все происходит так же, как и в ПЗС с поверхностным каналом. С помощью затворов, подключенных к трем тактовым шинам, создается сигнальный заряд, который движется вдоль канала и затем считывается на выходе.

Рис. 2.10. МДП-структура с объемным каналом после удаления подвижных носителей из канала переноса

56

Рассмотрим в качестве примера структуры ПЗС со скрытым каналом, рис. 2.11 и 2.12. На первом из них изображена ПЗС-структура в разрезе поперек движению зарядового пакета. Подчеркнем наличие в ней толстого окисла, расположенного по обе стороны канала, который в сочетании с высоколегированными областями под ним обеспечивает ограничение канала только под управляющим электродом (см. рис. 2.6). Это сочетание пространственного ограничения в научной литературе называется стоп-каналом. Необходимо, чтобы толстый окисел окружал управляющий электрод со всех сторон, что позволяет надежнее предотвратить утечку и в сторону переноса.

Рис. 2.11. Разрез ячейки ПЗС со скрытым каналом поперек движения заряда

Рис. 2.12. Вид сверху одного элемента матрицы изображения (пиксель) ПЗС

57

Отметим преимущества, которые дает применение скрытого или захороненного канала, помимо возможностей создавать под управляемым электродом потенциальные ямы и еще возможностью управлять ее глубиной. Это присуще всем ПЗС-структурам.

Скрытый канал позволяет размещать накопленный заряд вдали от границы раздела Si–SiO2, что приводит к увеличению времени хранения (от десятков секунд до часов) и уменьшению темновых токов.

На рис. 2.12 показаны три поликремниевых электрода (затвора), ориентированных перпендикулярно двум стоп-каналам или, иначе говоря, изображен в плане трехфазный ПЗС элемент восприятия изображения (пиксель). Между этими стоп-каналами расположен рабочий «захороненный» канал. Если потенциал на среднем электроде более положительный, чем на других, то под средним электродом будет формироваться локальный минимум потенциальной энергии. Когда фотоны падают на пиксель, они генерируют электронно-дырочные пары. Электроны, созданные излучением в любой точке в пределах площади пикселя, собираются в потенциальной яме. Дырки, естественно, диффундируют в подложку и выводятся через тыльный контакт. Количество заряда, собранного в яме, будет пропорционально интенсивности потока фотонов и времени облучения.

Рис. 2.13. Влияние температуры на величину темновых токов

58

Темновые токи, упомянутые выше, можно определить как заряд, который накапливается в пикселе благодаря тепловой генерации, природу которой мы подробно исследовали ранее за период накопления информационного заряда. Эта генерация происходит при любой температуре выше абсолютного нуля (рис. 2.13).

Понятно, что темновой ток определенным образом ограничивает время накопления и хранения информационного заряда. В переводе на радиотехнический язык – темновые токи определяют нижний предел частот функционирования прибора.

2.2.Обработка сигнала на многоэлементном ПЗС (линейка и матрица)

Различный уровень заштрихованной области на рис. 2.14 под различными электродами, где были созданы потенциальные ямы сбора носителей, означают, что в площади этих пикселей была засветка с различной интенсивностью. Это, в свою очередь, привело к различной концентрации носителей заряда, пропорциональной этой интенсивности. Под каждым из накопительных электродов появился информационный заряд. Далее, подключив тактовые импульсы напряжения на соответствующие электроды регистра сдвига, мы можем перемещать этот заряд к выходному устройству линейки ПЗС.

P3

P2

P1

t1 +

t2 +

Рис. 2.14. Генерация светом информационного заряда в линейке ПЗС

59

На выходе линейного фотоприемного ПЗС-устройства [3] образованные под влиянием света зарядовые пакеты необходимо преобразовать в импульсы тока или напряжения. Для этого часто используют емкость, которую сначала заряжают до некоторой величины заряда, а затем отключают от питания. В этом случае принято говорить, что емкость находится под «плавающим» потенциалом. Такую емкость можно сформировать либо в виде обратно смещенного p–n-перехода, либо МДП-емкости (рис. 2.15). В последнем случае можно использовать МДП элемент, аналогичный таковым в сдвиговом регистре, но тоже с плавающим потенциалом. На рис. 2.15 изображена простейшая схема

а

б

в

Рис. 2.15. Выходное устройство с линейки ПЗС [3]

60