Наноэлектроника лит-ра / dragunov

с использованием плавающего p–n-перехода. Область противоположного типа проводимости, необходимого для его формирования, образуется либо диффузией, либо ионной имплантацией. Эта область располагается рядом с последним электродом сдвигового регистра и отделена от него специальным затвором переноса (В3). Для нормального функционирования устройства выхода размер этой области приблизительно равен размеру элемента регистра. Для того чтобы зарядить эту область до необходимой величины плавающего потенциала, ее соединяют с другой такой же диффузионной областью, на которую подано обратное смещение. Обе эти области являются истоком и стоком МДП транзистора, который называют транзистором сброса.

Соединение этих областей достигается подачей на затвор напряжения, открывающего этот транзистор. В результате происходит заряжение диффузионной области до потенциала источника Е. После выключения транзистора емкость p–n-перехода остается заряженной и готовой к приему зарядового пакета. Включение напряжения переноса на электрод В3 приведет к изменению потенциала диффузионной области, которое равно величине информационного сигнала, деленной на емкость узла считывания. А емкость, в свою очередь, равна сумме емкости плавающего p–n-перехода и присоединенного к ней затвора выходного транзистора. Изменение потенциала на затворе этого транзистора после прихода информационного заряда приведет к изменению величины его тока стока. Это и есть выходной сигнал. Получаемые таким образом после каждого сдвигового импульса сигналы усиливаются и подаются на видеовоспроизводящее устройство. Обычно такое устройство состоит из кинескопа, движение луча в котором синхронизовано с движением зарядовых пакетов в ПЗС. Последнее условие означает, что за время воспроизведения одной строки все элементы регистра очистились от зарядов. На экране эта строка будет состоять из точек, число которых строго равно числу элементов регистра. Яркость этих точек на экране пропорциональна зарядовому пакету на выходе ПЗС и соответствует интенсивности засветки каждого элемента регистра. Такой фотоприемник ПЗС является однокоординатным прибором. В нем полученная информация переносится вдоль одной оси. Для получения двухмерного изображения с помощью ПЗС-линейки обычно создают механическое перемещение регистра перпендикулярно объекту исследования.

В настоящее время наиболее употребительным является применение электронного сканирования по двум осям. Для этого обычно используют двухмерную матрицу фоточувствительных ПЗС-элементов.

61

Рассмотрим принципиальную схему работы такого прибора на примере простейшего устройства, включающего десять светочувствительных регистров, содержащих по десять элементов каждый. Как показано на рис. 2.16, в результате получается устройство, называемое матричным фотоприемником ПЗС.

Для осуществления считывания информационного заряда, образующегося под фоточувствительными элементами линеек, и вывода этого заряда с матрицы каждый из них заканчивается соединением с элементом сдвигового регистра. Этот регистр изображен на рис. 2.16 справа перпендикулярно ряду линеек. Следует отметить также, что выходной регистр закрыт светонепроницаемым экраном, т.е. он не участвует в приеме световой информации.

Рис. 2.16. Принцип построения матричного ПЗС фотоприемника

Заряды, возникающие при проецировании изображения на поверхность матрицы, переносятся одновременно вправо под накопительные электроды выходного регистра, где для их приема подготовлены потенциальные ямы. После первого переноса этот выходной регистр начинает переносить их на выход до полной очистки своих элементов. После этого в него перейдут следующие заряды из фоточувствитель-

62

ных регистров, и процедура переноса их на выход повторится. Вся перечисленная процедура происходит до тех пор, пока не очистятся все фоточувствительные регистры, а матрица, с помощью соответствующих обедняющих импульсов, не будет готова к новому накоплению информационного заряда.

2.3.Шумы приборов с зарядовой связью

Впредыдущих разделах описывались физические процессы, определяющие шумы фотоприемников и фотоприемных устройств. Здесь мы лишь остановимся на особенностях, связанных именно с ПЗС.

Во-первых, напомним, что при любой температуре на границе раз-

дела Si-SiO2, в обедненном приповерхностном слое и в нейтральном объеме кремния происходят генерационно-рекомбинационные процессы. Все эти процессы являются проявлением терморгенерации, описанной выше. Источники генерации выстроены в порядке важности (степени вклада). Понятно, что некоторые из возникших при генерации электронов будут собираться в яме и искажать выходной полезный сигнал. Так как генерационные процессы носят случайный характер, они классифицируются как шумы, которые ограничивают возможности ПЗС. Этот генерационный шум имеет равномерное частотное распределение, т. е. является «белым шумом».

Кроме этого в ПЗС- и ПЗИ-системах можно выделить шум захватавыброса. Этот шум проявляется из-за того, что процесс захвата на поверхностные состояния (объемные для объемного канала) и выброса с них носит случайный характер. Этот шум по своим свойствам сродни флуктуациям напряжений и токов в радиоэлектронных приборах, вызванных неравномерной эмиссией электронов, и поэтому относится к дробовым шумам.

Сразу заметим, что наибольший вклад в этот шум вносят состояния, имеющие времена генерации, близкие ко времени переноса. Состояния более быстрые за время переноса полностью опустошатся, а более медленные будут все время заполнены. Это значит, что обе эти группы состояний в формировании шума практически не участвуют [1].

Шум, определяемый поверхностными состояниями с концентрацией Nt и непрерывным распределением по энергии в запрещенной зоне,

63

занимающий полосу размером в kT, приблизительно равен дробовому шуму под электродом с площадью Аэ:

n2захв = q2kTАэ Nt ln 2.

Видно, что этот шум пропорционален плотности поверхностных состояний и не зависит от времени. Отсюда следует, что эта составляющая шума не зависит от частоты.

Как известно, объемные состояния захвата в отличие от поверхностных обычно занимают дискретные положения на энергетической шкале в запрещенной зоне полупроводника. В отличие от рассмотренного выше шума поверхностных состояний шум объемных зависит от времени возможной генерации (захвата-выброса) – t. Максимальной величины этот шум достигает при t = τоб.с ln 2 и равен

nоб2 .з .≈ 0, 25 Pз.п Nоб.с ,

где Рз.п – объем зарядового пакета. Понятно, что если в полупроводнике присутствует несколько объемных состояний с различными энергетическими положениями, то шум захвата всех уровней будет опреде-

ляться суммой nоб2 .з для каждого из уровней. И, наконец, так как шум

объемных состояний зависит от времени, то уровень шума с объемным каналом будет зависеть от частоты.

Надо понимать, что к этим шумам в устройстве ПЗС, включающем устройство входа и выхода, часто добавляются «внешние шумы». Именно эти устройства могут определять уровень основных шумов. В выходном узле, например, основную роль играет шум, определяемый емкостью узла считывания. Этот шум можно описать выражением

nвых2 = 2kTCвых.у / 3q2.

Рассмотренные выше флуктуационные шумы имеют случайную природу. В то же время в устройствах ПЗС приходится иметь дело еще и с шумами, которые связаны с совершенно определенными составляющими сигнала, обусловленными тактовым питанием и геометрическим шумом. Геометрические шумы вызваны неоднородностью распределения темнового тока или информационного заряда, введенного оптическим путем. Они связаны, прежде всего, с неоднородностями параметров исходного полупроводника (концентрация примесей, дефектов и др.) по площади пикселя. Хотя эти шумы по величине намно-

64

го превышают флуктуационные, от них научились довольно легко избавляться технологическими и схемотехническими методами. Это возможно именно потому, что этот вид шумов определен во времени и пространстве.

2.4.Приемники излучения на основе приборов

сзарядовой инжекцией

Начиная с конца 70-х годов прошлого столетия полупроводниковые приемники изображения строятся и на другой модификации МДП, основанной на явлении неравновесного обеднения. Эти приборы называются приборы зарядовой инжекции (ПЗИ). В этих приемниках оптической информации для хранения, считывания и сканирования заряда используется перенос заряда и инжекция внутри отдельных фоточувствительных ячеек. Информационный заряд, создаваемый при попадании света на прибор, накапливается и хранится в матрице накопительных МДП-конденсаторов. Считывание же накопленного заряда происходит в той же фотоприемной ячейке, где он был накоплен. Это обстоятельство приводит к отсутствию в ПЗИ элементов структуры, предназначенных для переноса заряда. Это приводит к тому, что перечисленные выше сложности и потери, обусловленные в ПЗС взаимодействием информационного заряда с границей раздела, в случае ПЗИ играют заметно меньшую роль.

Для освобождения фоточувствительных МДП-конденсаторов от ранее накопленного заряда применяется инжекция этого заряда в подложку, что одновременно может служить и для считывания этого заряда. Из таких фоточувствительных ячеек, так же как и у ПЗС, могут быть сформированы системы с линейной адресацией (строчные приемники изображения) или структуры с двухкоординатной обработкой информации (двухмерные приемники). Более полную информацию обработки в многоэлементных ПЗИ-приемниках можно получить из сборника статей под редакцией Д.Ф. Барба [2].

Принцип действия прибора с зарядовой инжекцией легко объяснить по рис. 2.17.

Избыточная (над равновесной) концентрация неосновных носителей может прорекомбинировать с протекающими для этого через омический контакт основными носителями. Интегрируя этот ток, можно

65

получить величину инжектированного заряда или, иначе говоря, изме-

рить уровень информационного «светового» заряда.

Принцип построения матрицы ПЗИ основан на том, что каждая фоточувствительная ячейка состоит из двух МДП-конденсаторов, связанных между собой так, что накопленный заряд может перетекать от одного конденсатора к другому. Конструкция такой ячейки должна обеспечивать хранение всего сигнального заряда под одним электродом, когда обедняющее напряжение на другом электроде выключено. Инжекция же информационного заряда происходит, когда напряжение одновременно выключается на обоих электродах.

Ug

Рис. 2.17. Принцип работы единичной ячейки прибора с зарядовой инжекцией:

а – яма заполнена информационным зарядом; б – после выключения обедняющего напряжения на затворе носители заряда инжектиру-

ются в подложку

Зарядовая связь между этими двумя электродами осуществляется несколькими способами: можно очень близко расположить электроды, а можно использовать перекрывающиеся изолированные электроды. В этих случаях связь осуществляется сильными краевыми полями в зазоре. Во многих ПЗИ-приемниках изображения для осуществления связи используется дополнительное легирование подложки в межэлектродном зазоре. Внешних контактов к таким областям для выполнения их функций не требуется, и такая конструкция хорошо совмещается с обычной МДП-технологией.

66

Рассмотрим теперь разрез такой двухэлектродной структуры и физические процессы, используемые для сбора, хранения и считывания информации в матрице с двухкоординатной выборкой. Эти элементы еще называют элементами фоточувствительных систем с x–y адресацией.

На рис. 2.18 показана структура в состоянии, когда под обоими электродами создано состояние неравновесного обеднения, и внешнее излучение генерирует электронно-дырочные пары в кремниевой пластине. Дырки идут на формирование инверсионного заряда, а электроны уходят во внешнюю цепь. Последний процесс вызывает фототок, протекающий во внешней цепи во все время накопления.

р+ + + +

+

- Фототок

-

Накопление заряда

Рис. 2.18. Накопление информационного заряда при освещении двухэлектродной ПЗИ-структуры

Следующая стадия, изображенная на рис. 2.19, называется «полувыборкой». Эта стадия заключается в перетекании заряда через проводящую область из-под одного электрода под другой или в собирании всего информационного заряда под площадью данного пикселя под одним электродом, когда на первом выключено обедняющее напряжение. Как видно из рисунка, инжекции при этом не происходит, так как существует потенциальная яма, куда и скапливается весь заряд. Таким образом, заряд остается в данной фоточувствительной ячейке и даже пополняется при попадании света в фоточувствительную площадь пикселя.

Если теперь выключить напряжение на обоих электродах ячейки (рис. 2.20), то произойдет инжекция накопленного заряда в подложку. Носители, инжектированные в подложку в первых конструкциях ПЗИ, как было сказано выше, могут уничтожаться за счет рекомбинации.

67

Рис. 2.20. Стадия инжекционного считывания накопленного информационного заряда

Так это происходило в первых конструкциях ПЗИ, что обусловливало ограничение на длительность импульса инжекции, которая, естественно, должна быть больше времени жизни неосновных носителей заряда. В обратном случае носители не успеют прорекомбинировать, и после конца импульса соберутся во вновь созданную потенциальную яму фоточувствительной ячейки. Кроме этого приходится размещать эти ячейки друг от друга на расстоянии, превышающем диффузионную длину неосновных носителей, иначе часть инжектированных в подложку носителей заряда будет собираться (захватываться) соседними ячейками. Данные эффекты приводят к расплыванию изображения и к ухудшению разрешения фотоматрицы. Вследствие этих особенностей считывания информации с помощью рекомбинации конструкция ПЗИ на однородной подложке имеет малую плотность чувствительных элементов и перекрестные наводки.

Эти недостатки в значительной мере устраняются при применении формирования ПЗИ фотоматриц на основе эпитаксиальной подложки, разрез которой приведен на рис. 2.21.

68

Рис. 2.21. Подложка с эпитаксиальным слоем для формирования ПЗИ

В приборах, сформированных на такой подложке, эпитаксиальный p–n-переход выполняет роль коллектора инжектированного заряда. Этот переход, смещенный в обратном направлении, почти полностью собирает инжектированный заряд, если толщина эпитаксиального слоя меньше расстояния между чувствительными элементами или сравнима с ним. В этом случае практически полностью исключаются упомянутые выше

Оценка времени прохождения носителя заряда от поверхности, где фактически находятся носители после схлопывания ямы, до границы

эпитаксиального слоя показывает, что импульс инжекции может быть от долей микросекунд до наносекунд. На рис. 2.22 приведены результаты экспериментальных исследований эффективности инжекции (в

го сбора в случае эпитаксиаль-

длинноволнового излучения, когда электронно-дырочные пары генерируются на сравнительно большом удалении от поверхности, наличие эпитаксиального слоя приводит к некоторому ухудшению чувствительности прибора. Это связано с тем, что часть неосновных носителей, генерированных светом в промежутке между чувствительными элементами, собирается сразу эпитаксиальным переходом и, следовательно, не попадает в накопительный МДП-конденсатор.

На рис. 2.23 приведена принципиальная схема управления матрицей ПЗИ.

Рис. 2.23. Принципиальная схема управления матрицей ПЗИ приемников

70