Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 67
Текст из файла (страница 67)
6.5). Однако в связи с тем что затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика, активные сопротивления между затвором и истоком, между затвором и стоком оказываются очень большими. Поэтому ими можно пренебречь даже на относительно малых частотах по сравнению с параллельно включенными емкостными сопротивлениями. Можно пренебречь также очень малыми сопротивлениями гии г„которые представляют собой дифференциальные сопротивления сильнолегированных областеи полупроводника под истоком и стоком. Быстродействие полевых транзисторов с изолированным затвором определяется временем перезаряда распределенной емкости между затвором и каналом.
Постоянные времени процесса перезаряда этой емкости при малом внешнем сопротивлении в цепи затвора ограничивают рабочий диапазон частот полевого транзистора с изолированным затвором частотами около 1О ГГц, т.е. принципиалы<о такие транзисторы могут работать приблизительно до тех же частот, что и биполярные транзисторы. Основной особенностью полевых транзисторов является очень большое входное сопротивление. Активнав составляющая этого сопротивления может достигать !О" Ом.
Поэтому полевые транзисторы применяют в схемах, имеющих также большие сопротивления. й ь.а. Полупроводниковый приворы с здрядовои связью Прибор с зарядовой связью (ПЗС) — зто полупроводниковый прибор, нмеющяй большое число близкорасположенных в изолированных от подложки затворов (МДП-структур), под которыми может происходить перенос к стоку ииформаниоиных пакетов неосиовиых носителей заряда, либо ннжектированмых нз истока, либо возникших в подложке нз-за поглощенаи оптического излучения.
Первая — входная секция — включает в себя исток с рч -областью под ним и входной затвор, выполняющий роль ключа для управления движением дырок нз диффузионной рч -области истока в первую потенциальную яму. Вторая — секция переноса — состоит из ряда затворов, управляющих потенциалом на границе кремний — диоксид кремния. Эти затворы соединены между собой через два.
Напряжения на затворах секции переноса имеют вид кмпульсов различной амплитуды, которые сменяют друг друга циклической перестановкой (рис. 6.14,б...д). При таком изменении напряжения на затво- 310 и, й мввр г) арвр й) Структура н принцип действия приборов с зарядовой связью Рассмотрим принцип действия ПЗС на примере трехтактной схемы сдвигового регистра, которую можно представить как структуру МДП-транзистора со многими затворами (рис. 6.14, а).
Этот прибор состоит из трех секций. тйу Рпс б.)4. Структура ПЗС с трехтактиым пмтаннем затвороя секции переноса (и) и понсненне принципа его дсиствня (б, в, г, д): б — запись логической едииипы путем иижекпии пакета дырок п потеикиальиую яму под первым затвором секпии переноса; е — перенос икформапиоикого заРяда — пакета дырок в последующие потеипиальиые ямы при измеиеиии потеи. павлов иа злектродах затвора; с — считывание логической едииикы иа выходе прибора ори зкстракпии дырок из потеипиальиой ямы з рт-область стока; д — запись логического иул» при отсутствии отрипательиого потенциала иа входиом затворе ззз рах потенциальные ямы перемещаются к выходу прибора, увлекая за собой пакеты носителей заряда — дырок.
Третья — выходная секция — включает в себя р-л-переход стока. Этот переход смещен в обратном иаправлеиии и предназначен для экстракции дырок из подходящих к иему потенциальных ям (рис. 6.14,г). Пусть иа начальном такте работы иа входной затвор подано напряжение У,„, достаточное для образования проводящего капала под входиым затвором ((У,.1)10,1). Если при этом иа первом затворе секции переноса существует достаточно большое отрицательное иапряжеиие, т. е. если под первым затвором секции переноса существует глубокая потенциальная яма для дырок, то дырки будут выходить из истока, проходить по каналу под входиым затвором и иакапливаться в потеициальиой яме под первым затвором секции переноса (рис.
6.14,б). Напряжение иа входном затворе У,„сиимается к началу следующего такта измеиеиия напряжений иа затворах секции переноса. Поэтому проводящий капал под входным затвором исчезает. Так происходит запись информации (иапример, логической едииицы), которой соответствует некоторый заряд дырок Я„„ накопленных в потенциальной яме под первым затвором в результате иижекции из истока. Отметим, что для записи информации, соответствующей логическому иулю, иа входной затвор ие должно быть подано отрицательное напряжение.
В этом случае ие будет иижекции дырок из р+-области истока в потенциальную яму под первым затвором (рис. 6.14,д) и в ией может оказаться только отиосительио небольшой заряд дырок Ц.ы. связаииый либо с тепловой геиерацией носителей заряда, либо с иеполиым опустошеиием потеициальиой ямы иа предыдущих тактах работы прибора. После смены напряжений иа затворах секции перепаса самое отрицательное напряжение будет иа втором затворе, поэтому пакет дырок передвинется в потеициальиую яму под вторым затвором секции перепаса (рис, 6.14, в). При следующих тактах изменения иапряжеиия иа затворах секции переноса будет происходить дальнейшее продвижение пакета дырок к выходной секции (рис. 6.!4,г, д). Если в потенциальных ямах, подходящих к р-л-переходу стока, иет носителей заряда — дырок, то ие будет и изменения тока в цепи стока.
И только в том случае, когда потеициальиая яма, содержащая дырки, подойдет к р-н-переходу стока, произойдет экстракция этих дырок и в цепи стока пройдет импульс тока или изменится иапряжеиие иа стоке (рис. 6.14, г). Параметры приборов с зарядовой связью Следует отметить, что ПЗС является типично динамическим устройством и имеет нижний и верхний пределы тактовых частот импульсов напряжения, питающих секцию переноса. Нижний предел тактовой частоты определяется тем, что между потеициальиой ямой у поверхности и остальным объемом полупроводника проходят токи, связаииые с тепловой генерацией носителей заряда и ничем в прииципе ие отличающиеся от обратного тока экстракции через р-и-переход.
Эти токи влияют иа уровень логического нуля, повышая заряд дырок в пустых потеициальиых ямах. В зависимости от температуры и свойств полупроводника заметное накопление дырок в пустых потеициальиых ямах может произойти за время от сотых долей до единиц секунд. Поэтому нижний предел тактовой частоты ПЗС составляет обычио едииицы — десятки килогерц. Верхний предел тактовой частота определяется временем перетекания заряда из одной потенциальной ямы в другую (порядка единиц наносекунд). За более короткое время весь заряд ие успевает перейти из одной потеициальиой ямы в соседнюю. Поэтому верхний предел тактовых частот дли ПЗС определяется обычно десятками мегагерц.
В диапазоне рабочих частот, далеких от предельных, в ПЗС тоже ие происходит полной передачи ииформациоииого заряда из одной потенциальной ямы в другую. Связано это с явлениями захвата носителей заряда поверхиостиыми энергетическими уровнями ловушек захвата. В результате, во-первых, уменьшается общий заряд передаваемого пакета дырок, т. е. умеиьшается уровень логической единицы. Во-вторых, захваченные ловушками захвата и освободившиеся через некоторое время носители заряда могут попасть в пустые потеициальиые ямы, исказив тем самым уровень логического пуля.
Для умеиьшеиия влияиия этого эффекта необходимо обеспечить плотность поверхиостиых состояний примерио иа два порядка меньшую, чем допускается при производстве МДП-транзисторов. Другим, более простым, методом борьбы с рассмотреииым эффектом является кодирование логического пуля ие отсутствием заряда в потеициальиой яме, а некоторым малым зарядом. Этот заряд во время продвижения по секции переиоса ПЗС приводит к заполнению большей части поверхиостиых состояний.
которые уже ие могут больше захватывать носители заряда при прохождеиии пакета дырок. При этом, однако, уменьшается амплитуда сигнала иа выходе ПЗС. Третьим методом борьбы с явлением захвата является использование так называемого углубленного капала. При этом путем введеиия соответствующих примесей в поверхиостиый слой полупроводника создают такое распределение электрического поля вблизи поверхности, при котором носители заряда движутся ие 325 вблизи поверхности, а на некоторой глубине (до нескольких микрометров). Это резко снижает потери иа захват носителей. К тому же в ПЗС с углубленным каналом удается сдвинуть верхний предел рабочих частот ло крайней мере за 100 Мрц.
Однако приборы с углубленным каналом имеют значительно меньшую эффективность управления со стороны затворов н соответственно меньший информационный заряд ло сравнению с обычиымн ПЗС. Для оценни рассмотренного эффента захвата носителей в ПЗС используют параметр эффективности передачи заряда т)=ٻ㻠— Я о») +~Щ,ь — 9,о,)ь показывающий, какая доля заряда переносится из одной потенциальной ямы ! в другую 1+1.
Значение эффентнвиости передачи т) обычно близко н 1, поэтому удобнее пользоваться коэффициентом лотерс (неэффективностью передачи) К„=! — 31 Для хороших ПЗС коэффициент потерь составляет менее 1О '. Частотная зависимость коэффициента потерь показана иа рнс. 6.15. Спад коэффициента потерь К„ в диапазоне иизних частот опредек„ ляется уменьшением влияния обрат- Ю иых токов между потенциальной ямой Ю -4 и остальным объемом полупроводника (подложкой). Подъем коэффнци- Ю еита потерь при высоних частотах связан с неполным переносом заряда га га юо ю !аа ю 1 Ггц нз охиой лотенлиальиой Ямм в дру гую из-за быстрого изменения тактоРпс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
