KONSPEKT_LEKTsIJ_EiEKUiS

Прибор с объемным каналом переноса работает следующим образом. Предположим, что подложка и все затворы 1 заземлены, входная цепь разомкнута, а к выходному выводу через резистор подключен источник постоянного положительного напряжения ( 30 В), смещающий р-n переход между т- областью и подложкой в обратном направлении. При этих условиях

врассматриваемой структуре образуются не только приповерхностные обедненные области под затворами, но и обедненная область р-n перехода. Если положительное напряжение на n- слое достаточно велико, то приповерхностные подзатворные обедненные области смыкаются ( в вертикальном направлении) с обедненной областью р-n перехода. Под каждым затвором образуется единая обедненная область, энергия электронов

вкоторый меньше, чем в подложке и вблизи поверхности полупроводника.

Распределение потенциала в вертикальном направлении по сечению А- А структуры показано на рис.12, б ( кривая 1). Координата х отсчитывается от поверхности полупроводника. Распределение потенциала имеет максимум на глубине х = 3 мкм, т.е. внутри n- cлоя. Он соответствует минимуму потенциальной энергии электронов. Электроны, введенные в такую структуру, будут смещаться электрическим полем к области с минимальной потенциальной энергией. Следовательно, аналогично структуре с поверхностным каналом переноса эта структура способна накапливать и хранить зарядовые пакеты в потенциальных ямах под затворами. В отличие от ПЗС с поверхностным каналом переноса здесь в потенциальных ямах, расположенных в n-слое, накапливаются основные носители – электроны.

Как и в приборах с поверхностным каналом переноса, глубину потенциальной ямы в рассматриваемой структуре можно регулировать, изменяя напряжение на соответствующем затворе. Кривая 2 на рис. 12, б

171

показывает, как влияет повышение напряжения на затворе до 10 В на распределение потенциала ( при пустой потенциальной яме). Заряды можно перемещать из данного элемента в соседний, изменяя напряжения на затворах точно так же, как в трехактных ПЗС с поверхностным каналом переноса ( см. 5). Поскольку минимум потенциальной энергии ( т.е. область накопления зарядовых пакетов) располагается на значительном расстоянии от границы полупроводник – диэлектрик , влияние поверхностных состояний резко ослабляется и увеличивается подвижностью электронов. Эти факторы приводят к увеличению подвижности электронов. Эти факторы приводят к увеличению максимальной тактовой частоты и снижению коэффициента потерь ( см. кривую 2 на рис. 9). Эффективность переноса ПЗС с объемным каналом на средних частотах определяется взаимодействием зарядовых пакетов с объемными ловушками. Концентрация объемных ловушек значительно ниже, чем поверхностных.

Важное достоинство ПЗС с объемным каналом – низкий уровень шумов, обеспечиваемый устранением взаимодействия зарядовых пакетов с поверхностными состояниями. Их недостатком является значительно меньшая величина максимального зарядового пакета, что обусловлено большим расстояние между затвором и областью накопления зарядов.

Тема 5.3. ПРИБОРЫ НА ЭФФЕКТЕ ГАННА

В 1963 г. американским физиком Ганном в полупроводниках — арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InР с электронной электропроводностью было обнаружено явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в случае приложения к образцу постоянного напряжения, превышающего некоторое критическое значение. Оказалось, что частота колебаний зависит от длины образца и лежит в диапазоне нескольких гига герц. Поскольку генерация высокочастотных колебаний в объеме не связана с наличием тонких и маломощных p-n-переходов, на приборах Ганна удалось построить СВЧ - генераторы значительно большей мощности, чем на других полупроводниковых приборах.

Генераторы Ганна, выполненные в форме квадратов со стороной 100 — 150 мкм, дают мощность в непрерывном режиме порядка нескольких милливатт на частотах 1—25 ГГц. Эти генераторы могут работать и в импульсном режиме, обеспечивая импульсную мощность порядка нескольких сотен ватт при к.п.д. 5—25%. Модификацией генератора Ганна является генератор с ограничением накопления объемного заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ кристалл арсенида галлии включается последовательно с колебательным контуром и нагрузочным резистором, Наличие контура обеспечивает легкость перестройки частоты. Переменное напряжение на контуре достаточно велико для того, чтобы во

172

время отрицательной полуволны напряжение на образце падало ниже критического значения. При этом домен успевает разрушиться, так как время диэлектрической релаксации в слабом поле мало (порядка с) по сравнению с периодом колебаний. В режиме ОНОЗ удается достигнуть большей мощности и на более высоких частотах (до сотен гигагерц) благодаря тому, что во время положительной полуволны домен не успевает сформироваться и в большей части образца дифференциальная проводимость остается отрицательной.

На эффекте Ганна, используется падающий участок вольт амперной характеристики, можно построить также СВЧ - усилитель. Например, усилитель на частоте 23—31 ГГц дает усиление по мощности 20 дБ.

Прибор па эффекте Ганна может быть использован как элемент логических схем. Быстродействие таких схем весьма высо кое — несколько десятков пикосекунд на каскад. На рис. 9.23 показана простейшая схема импульсного усилителя на эффекте Ганна в триггерном режиме. В этой схем е напряжение батареи Uи.п. выбрано так, что искажение на приборе Ганна U Uи.п. IRн меньше Ut, не больше

Ua (Ut и Ua — пороговые напряжения возникновения и исчезновения доменов). При подаче на вход усилителя короткого импульса с длительностью меньше пролетного времени с амплитудой Un>Ut—Uo прибор Ганна на время, равное пролетному времени То, переключается в состояние со сформированными доменами. Ток через прибор Ганна и сопротивление включенного последовательно с ним резистора нагрузки падают, благодаря чему образуется выходной импульс с полярностью, противоположной входному импульсу, и длительностью, равной пролетному времени То. Такой усилитель может выполнять логическую операцию сравнения амплитуды импульса UH с заданной величиной U t —U 0 . Кроме того, он может быть использован как дискриминатор выходных импульсов по их ширине и амплитуде. П р и наличии дополнительного входа, показанного на рис. 9.23 пунктиром, схему усилителя можно использовать в качестве элемента ИЛИ, если прибор Ганна переключается одним импульсом, поданным на любой из входов.

На эффекте Ганна могут быть созданы схемы, которые переводятся в режим самоподдерживающейся генерации одиночным включающим импульсом. Эта генерация может быть прекращена подачей импульса противоположной полярности. Такие схемы могут осуществлять функции элемента памяти.

• Функциональные приборы, построенные на эффекте Ганна, не имеют p-n-

переходов и отдельных элементов.

173

Они выполняют свою функцию только благодаря свойствам материала и форме образца. Так, если изготовить кристалл арсенида галлия специальной формы то движущиеся домены можно

(рис. 9.24, а) электрическое поле уменьшается от катода к аноду.

распространяется только в ту часть

напряжения смещения дрейфовый путь домена увеличивается, а частота колебаний соответственно уменьшается. При дальнейшем повышении напряжения домен достигает анодa, после чего частота колебаний практически перестает зависеть от напряжения смещения. Осциллограмма тока, генерируемого прибором Ганна при различных напряжениях смещения, показана на рис. 9 . 2 4 , 6 .

На рис. 9.25 приведены функциональные генераторы Ганна с заданной формой колебаний. В верхней части рисунка показана форма

образцов, в нижней — зависимости тока от времени. В соответствии с отмеченным свойством приборов Ганна форма колебаний тока в течение пролетного времени воспроизводит профиль поперечного сечения образца (выступ на pис. 9.25, а и впадина на рис. 9.25, б ) . Следует отметить, что при малых напряжениях смещения частота колебаний, генерируемых прибором, падает с ростом напряжения. Когда напряжение будет достаточно велико для того, чтобы домен распространился до средней части образца с наибольшей площадью поперечного сечения, частота колебаний скачком уменьшится примерно в два раза, поскольку, миновав среднее сечение, домен достигнет анода. Следовательно, такой образец может быть использован в качестве переключателя частоты.

Одним из важных функциональных приборов на эффекте Ганна является аналого-цифровой преобразователь (рис. 9.26). Прибор имеет планарную конструкцию. Активный слой, имеющий форму «клина» с кодирующими прорезями, выращивают методом эпитаксии на полу изолирующей подложке.

174

Как и в приборах пирамидальной формы (см. рис. 9.24, а ) , путь, проходимый доменом, увеличивается с повышением напряжения смещения. При прохождении доменом кодирующей прорези ток уменьшается, а число всплесков, отнесенное к анодному про бегу домена, соответственно возрастает с повышением напряжения смещения. Приборы на эффекте Ганна могут быть использованы также в качестве основных элементов оптоэлектронных устройств: приемников, модуляторов, источников света и т. д.

A A A

1

Рис. 136. Прибор Ганна (а), формы кристаллов генераторов Ганна и осциллограммы генерируемых импульсов (б)

1 – омические контакты, 2 – пластина арсенида галлия

175

В микроэлектронике широко применяются тонкие пленки металлов и диэлектриков. При переходе к тонким пленкам возникают новые явления и закономерности, не проявляющиеся в массивных образцах и структурах. Для пленок типична возможность создавать управляемые эмиссионные токи, аналогичные токам в вакууме. При контакте неметаллического твердого тела с металлом, oобладающим меньшей работой выхода, приконтактная область oобогащается свободными носителями заряда, эмитти ро в а нн ы ми и з м е та лла . В м а с с и вн ых обр а зц ах эти узк и е приконтактные области повышенной электропроводимости не влияют на токовый режим, определяемый концентрацией свободных носителей заряда в объеме тела. В тонких же пленках эмитированные носители заряда могут доминировать во всем объеме, определяя закономерности токовых явлений. С точки зрения теории рассеяния носителей заряда любое неметаллическое твердое тело в толстом слое — полупроводник, а в тонком слое — диэлектрик.

Эффекты, связанные с протеканием эмиссионных токов в неметаллических твердых телах, не охватываются ни физикой полупроводников, ни физикой диэлектриков. Закономерности этих явлении, а также приборные и схемные разработки на их основе составляют содержание нового раздела физики твердого тела и электроники — диэлектрической электроники.

Если между двумя металлическими электродами поместить тонкую (порядка 1—10 мкм) диэлектрическую пленку, то мигрируемые из металла электроны заполнят всю толщину пленки и напряжение, приложенное к такой системе, создаст ток в диэлектрике.

таллов и полупроводников, туннельной эмиссии и т. д.

Простейшими приборами диэлектрической электроники являются диоды и транзисторы, имеющие характеристики, аналогичные характеристикам электровакуумных приборов. Диэлектрический диод представляет собой пленочную структуру металл - диэлектрик - металл (рис. 9 . 2 7 ) . Принцип действия диэлектрического диода

диэлектрическом диоде определяется различием работ и выхода из истока и стока и может оказаться значительным за счет нанесения на диэлектрик контакта из материала с очень м а л о й работой выхода. Поэтому в одном направлении возникают большие токи, а в обратном направлении - исчезающие малые токи. Коэффициент выпрямления диэлектрического диода достигает О4 и выше.

и стоком. В некоторых типах триодов эмиссия происходит из полупроводника n-типа с электронной электропроводностью в высокоомный полупроводник р -типа с дырочной электропроводностью, который играет роль диэлектрика (рис. 9,28). Низкоомные области, образованные из полупроводника p-типа с высокой дырочной электропроводностыо, выполняют роль металлических ячеек сетки электровакуумного триода.

Подаваемое на эти области внешнее напряжение управляет значе нием тока, протекающего между истоком и стоком.

В другом типе диэлектрического транзистора (рис. 9.29) за твор находится вне диэлектрика CdS; его роль сводится к изменению распределения потенциала в диэлектрике, что существенно влияет на значение тока. Распространение получили транзисторы с изолированным затвором структуры МОП (металл—окисел — полупроводник) или МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Приборы диэлектрической электроники удачно сочетают ряд достоинств полупроводниковых и электровакуумных приборов и лишены многих недостатков. Эти приборы микроминиатюрные, малоинерционные, обладают хорошими частотными характеристиками, низким уровнем шумов, мало чувствительны к изменениям температуры и

177

радиации. Создание эмиссионных токов в диэлектриках не требует затрат энергии на нагрев эмитирующего электрода и решения проблемы теплоотвода.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания, ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы, и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

Повышение степени интеграции микросхем и связанное с. этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов (в отдельных случаях и миллионов) на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой.

Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Поэтому в отдаленной перспективе интегральная микроэлектроника уже не будет полностью удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры.

Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объекту твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с. фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука и т.д.).

178

Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т. е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.

В функциональной микроэлектронике начинают использовать

(рис. 9.1):

179

Рис. 9.1. Основные направления функциональной микроэлектроники

180