Полупроводниковые приборы c зарядовой связью

Прибором с зарядовой связью называют полупроводниковый прибор, в котором происходит накопление неосновных носителей под электродами МОП-структур и перемещение этих носителей от одного электрода к другому.

Электрический сигнал в приборах с зарядовой связью (ПЗС) представлен не напряжением или током, как в обычных аналоговых или цифровых схемах, а зарядом неосновных носителей – зарядовым пакетом.

Идею создания запоминающих устройств высказал в 1934 году В.К. Зворыкин, а американские ученые Н. Бойл и Г. Смит изготовили ПЗС в 1969 году.

Принцип действия ПЗС основан на накоплении и хранении заряда неосновных носителей в потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника под действием внешнего электрического поля, прикладываемого к затвору, и перемещении этого заряда вдоль поверхности при изменении соответствующим образом управляющих напряжений на соседних элементах. Основными элементами ПЗС являются однотипные МОП-конденсаторы, близко расположенные на одном кристалле и взаимодействующие между собой. На входе и выходе цепочки МОП-конденсаторов используются или диоды, или полевые транзисторы (рис. 8.15,а). Для того, чтобы между соседними затворами обеспечивалось взаимодействие с помощью переноса зарядовых пакетов, расстояние между затворами должно быть малым по сравнению с толщиной обедненных слоев под затворами. Размер каждого электрода вдоль цепочки составляет 10…15 мкм, а промежутки между электродами 2…4 мкм. Благодаря непосредственной зарядовой связи между соседними элементами в ПЗС не нужны сигнальные проводники, как в интегральных схемах на транзисторах. Слой диэлектрика имеет толщину порядка 0,1 мкм.

Для ПЗС характерны два режима работы: хранения и передачи информационного заряда. Информационный заряд может храниться в одном или нескольких конденсаторах не очень длительное время. При длительном времени хранения информационного заряда вследствие процессов термогенерации происходит накопление паразитного заряда дырок в инверсном слое и к заполнению потенциальных ям.

При работе ПЗС в аналоговых устройствах паразитный заряд изменяет величину полезного информационного сигнала, что вызывает искажение хранимой аналоговой информации. Для современных ПЗС максимальное время хранения заряда лежит в пределах от сотен миллисекунд до десятков секунд.

На рис. 8.15,а изображен так называемый трехтактный симметричный ПЗС, имеющий входную цепь, цепь переноса и выходную цепь. Входная цепь состоит из истока с p⁺–областью под ним и входного затвора, который управляет движением дырок из p⁺–области истока в первую потенциальную яму. Таким образом ввод зарядового пакета осуществляется инжекцией дырок через входной p⁺–n переход, когда напряжение, подаваемое на затвор, больше U_пор и достаточное для образования проводящего канала под входным затвором.

Цепь переноса состоит из ряда затворов, управляющих потенциалом на границе полупроводника и окисла. Перенос зарядового пакета от первого МОП-конденсатора к другому и далее происходит при условии, что напряжения на электродах отрицательны и напряжение последующего электрода по абсолютной величине больше напряжения предыдущего. Импульс напряжения (тактовые напряжения), подаваемые на электроды 1, 2, 3 для переноса заряда, имеют амплитуду 10…20 В.

Если к электроду 1 при наличии проводящего канала под входным затвором приложить отрицательное напряжение, превышающее по абсолютному значению пороговое, то у поверхности полупроводника образуется обедненная область. Образовавшаяся область является потенциальной ямой для неосновных носителей заряда, и под действием напряжения, приложенного к электроду 1, осуществляется инжекция дырок в потенциальную яму, где они и хранятся (рис. 8.15,б). Для передачи зарядового пакета к соседнему электроду прикладывается более отрицательное напряжение (по сравнению с напряжением хранения) – напряжение записи, при этом напряжение на входном затворе снимается (проводящий канал исчезает). Напряжение записи создает более глубокую потенциальную яму под этим электродом и образует продольное электрическое поле в области разделяющей электроды. После переноса зарядового пакета в потенциальную яму потенциал электрода снизится (по абсолютному значению) до напряжения хранения. При следующих тактах изменения напряжения на электродах в цепи переноса будет происходить дальнейшее продвижение зарядового пакета к выходной цепи (рис. 8.15,г,д). Если в потенциальной яме, подходящей к p–n переходу стока, отсутствует информационный зарядовый пакет, то и не будет изменения тока в цепи стока. Использование во выходной цепи МОП-транзистора позволяет осуществить неразрушающее считывание зарядового пакета.

Когда информационный зарядовый пакет переместится в потенциальную яму на границе к p–n переходу стока, дырки втягиваются в область стока. Это вызывает появление импульса тока или изменение напряжения на стоке (рис. 8.15,г).

Быстродействие ПЗС определяется режимом передачи зарядового информационного пакета от одного электрода к другому, осуществляемой в основном за счет дрейфа и диффузии в конце переноса неосновных носителей, которая совершается значительно медленнее. Практически быстродействие ПЗС характеризуется предельной частотой 1 ГГц.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС

Приборы с зарядовой связью в настоящее время выпускаются в виде БИС и СБИС. По выполняемым функциям устройства на ПЗС можно разделить на три группы: цифровые, аналого-цифровые и оптоэлектронные.

В цифровых устройствах ПЗС используются как регистры сдвига, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), обеспечивающие емкость хранения 10⁶…10⁷ бит на кристалле с частотой выдачи информации 1…10 МГц. Запоминающие устройства на ПЗС с произвольной выборкой по считыванию позволяют считывать информацию из произвольной ячейки матрицы на ПЗС.

Аналого-цифровые устройства ПЗС используются для обработки сигналов в технике связи и радиотехнических устройствах (линии задержки, полосовые фильтры, мультиплексоры). В линиях задержки входной аналоговый сигнал преобразуется в дискретные зарядовые пакеты и через время задержки поступает на выход ПЗС. В мультиплексорах несколько входных сигналов параллельно вводятся в ПЗС, а затем последовательно выводятся на выход ПЗС.

ПЗС также используются в качестве компенсирующих устройств при магнитной записи звуковых колебаний и видеосигналов, для коррекции звука и изображения в цветном телевидении.

В оптоэлектронных ПЗС используется эффект фоточувствительности для создания одномерных и плоскостных приборов, таких как усилители с плавающим затвором, фотоячейки, приемники изображения для портативных телевизионных камер.

Работа ФОТО-ПЗС основана на генерации электронно-дырочных пар, число которых пропорционально освещенности, каждый затвор получает заряд, зависящий от освещенности падающего света.

ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ПЗС

Основными параметрами элементов ПЗС являются: рабочая амплитуда управляющих напряжений, предельные тактовые частоты (минимальная и максимальная), максимальная величина зарядового пакета, эффективность передачи заряда, рассеиваемая мощность.

Рабочая амплитуда управляющих напряжений должна обеспечивать требуемую величину зарядового пакета и полного смыкания обедненных слоев соседних элементов при уменьшении расстояния между затворами и увеличении емкости диэлектрика. При этом управляющее напряжение уменьшается и лежит в пределах 10…20 В.

Максимальная величина зарядового пакета характеризует управляющую способность ПЗС и пропорциональна амплитуде управляющего напряжения и площади затвора.

Минимальная тактовая частота f_{т мин} обратно пропорциональна максимально допустимому времени хранения зарядового элемента в одном пакете. За счет тепловой генерации и свойств материала накопление заряда в пустых потенциальных ямах может произойти за время от сотых долей до единиц секунд, что соответствует f_{т мин} = 30…300 Гц.

Максимальная тактовая частота f_{т макс} определяется временем переноса заряда из одной потенциальной ямы в другую, и она составляет десятки МГц.

Время переноса зарядового пакета связано с эффективностью переноса.

Эффективность переноса (передачи) заряда h – показывает какая доля заряда переносится из одной потенциальной ямы в другую. Эффективность переноса определяет максимальное число элементов, через которые может передаваться зарядовый пакет и составляет величину порядка 0,999…0,99999. Эффективность передачи очень близка к 1, поэтому часто пользуются коэффициентом потерь (неэффективностью передачи) n=1–h, который составляет 10^-3…10^-5.

Рассеиваемая мощность элементов ПЗС определяется только в режиме переноса зарядов и увеличивается с ростом тактовой частоты, амплитуды управляющего напряжения и величины зарядового пакета, и составляет менее 1 мкВт.

ГЛАВА 9

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ