Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью (1095920), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Канал переноса в боковом направленииограничивается стоп-каналами.Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на Рис.1г. Видно, что дляего нормальной работы в каждый момент времени, по крайней мере на однойтактовой шине, должен присутствовать высокий потенциал, и по крайней мере наодной – низкий потенциал (потенциал барьера). При повышении потенциала наодной шине и понижении его на другой (предыдущей) происходит одновременнаяпередача всех зарядовых пакетов под соседние затворы, и за полный цикл (одинтакт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов наодин элемент регистра.Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются такназываемые стоп-каналы – узкие полоски с повышенной концентрацией основнойлегирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (Рис.1д).
Дело в том, что отконцентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении назатворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное,как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображенийпонятно, что чем больше концентрация примеси, т.е. чем больше дырок вполупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т.е. тем выше пороговоенапряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал впотенциальной яме (если она вообще образовалась).Понятно, что на полную передачу заряда из одной ямы в другую требуется время,так что при высокой тактовой частоте (а для ТВ стандарта она составляет врегистре считывания 7-13 МГц в зависимости от числа элементов по горизонтали)этого времени может и не хватить.
Величина, показывающая, какая частьзарядового пакета передалась в следующий элемент ПЗС, называетсяэффективностью переноса ε.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–6–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРЧасто пользуются и связанной с ней величиной неэффективности η = 1 - ε.Однако частотные ограничения – это ещё полбеды. Беда же в том, что дляструктуры ПЗС, обсуждавшейся до сих пор, все события происходят в оченьтонкой (десятки ангстрем) области у границы раздела окисел-кремний. Сколь быне была совершенной кристаллическая структура подложки, граница раздела –нарушение однородности кристалла, а из физики твёрдого тела известно, чтовсякое нарушение однородности кристаллической решётки приводит квозникновению разрешённых энергетических уровней в запрещённой зоне.
Ясночто такое нарушение, как граница раздела, даром не проходит, и образующихсяпри этом энергетических уровней столько, что они образуют квазинепрерывныйспектр, а значит, среди них есть такие, которые способны захватывать электроныиз зоны проводимости (ловушки), причём время, через которое захваченныйэлектрон вернётся обратно в зону проводимости, зависит от энергии ловушки (иабсолютной температуры).
И получается, что, пока над данной точкой границыраздела нет заряда (а это когда-нибудь да так), часть ловушек освобождается,эмитируя электрон обратно в зону проводимости, а когда придёт очереднойзарядовый пакет - мгновенно заполняется, чтобы снова освободить захваченныеэлектроны после того, как этот зарядовый пакет ушёл, так что освобождённыеэлектроны попадают в другой, пришедший позднее, зарядовый пакет.Более того, эмиссия электронов с ловушек обратно в зону проводимости, каквсякий тепловой процесс, подвержена термодинамической флуктуации ипривносит в распределение зарядов по ячейкам шум переноса.
Кроме того, частьэлектронов, попавшая на глубокий уровень с длительным временем эмиссии,может вовсе не вернуться (это называется фиксированными потерями, иособенно заметно при переносе малых зарядовых пакетов). И наконец, черезквазинепрерывный спектр ловушек происходит интенсивная генерация темновоготока (тепловой процесс спонтанного образования электронно-дырочных пар - ксожалению, процесс неизбежный при температуре, отличной от абсолютногонуля, а наличие уровней в запрещённой зоне резко повышает его вероятность).Все эти неприятности, связанные с поверхностным каналом переноса, удалосьполностью (или почти полностью) устранить инженерам фирмы Philips, в 1972году предложившим ПЗС со скрытым каналом. Это решение, разом убивавшеенесколько зайцев, оказалось настолько удачным, что с тех пор все ПЗСвыпускаются только со скрытым каналом.
От обычного он отличается тем, что вповерхностной области кремния создаётся тонкий (порядка 0,3 - 0,5 мкм) слой спроводимостью противоположного подложке типа и с концентрацией примеситакой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче на него напряжения черезсоответствующий контакт. Что же происходит в такой структуре?Для простоты предположим, что скрытый канал имеет однородную концентрациюпримеси по всей глубине. При полном обеднении скрытого канала в нём остаётсянескомпенсированный заряд легирующей примеси (будем считать её примесью Nтипа, т. е.
остаются положительно заряженные атомы примеси).©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–7–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРКроме того, обеднённая область будет простираться и в подложку, как и для ПЗСс поверхностным каналом, причём в подложке заряд нескомпенсированнойпримеси - отрицательный.
Распределение потенциала при таком ступенчатомраспределении объёмного заряда, как следует из уравнения Лапласа, будеткусочно-параболическим с максимумом потенциала, лежащем на некоторойглубине от границы раздела (фактически вблизи металлургической границы pnперехода скрытый канал - подложка; см. Рис.2а).Рис.2а. Распределение зарядов в скрытом канале.Рис.2б. Распределение потенциалов в ПЗС со скрытым каналом: при отсутствиисигнального заряда, с сигнальным зарядом и при фиксации поверхностного потенциала.©Л.
Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–8–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРВсё. Задача решена. Ведь теперь сигнальные электроны собираются именно вобласти максимума потенциала, нейтрализуя по мере накопления атомы примеси(зелёная линия на Рис.2б; это, в частности, означает, что максимальнаяплотность накопленного заряда не может превышать поверхностнойконцентрации примеси - порядка 1,5*1012 см-2), и не достигают поверхности. Азначит, уходят все отрицательные моменты, связанные с взаимодействиемзарядового пакета с границей раздела. Для дальнейшего изложения отметимещё, что потенциал канала в максимуме пропорционален дозе легированияканала.Степень совершенства кристаллической решётки в современных материалахвесьма высока, и ныне эффективность переноса в ПЗС со скрытым каналом(собственно, далее речь будет идти только о них) достигает в лучших приборахпотрясающих величин 99,9999% (или η = 10-6 на перенос), т.е.
после тысячипереносов искажения от неэффективности составляют 0,1%. Достигается это нетолько из-за крайне низкой плотности ловушек в объёме полупроводника, но ииз-за того, что перенос происходит на некотором удалении от затворов, а значит,становятся заметными двумерные эффекты - электрическое поле одного затворапроникает под соседний, создавая тем самым дрейфовую составляющую переноса(тянущее поле), что вытягивает заряд гораздо быстрее, чем просто тепловаядиффузия, так что частотные ограничения эффективности в диапазоне частот,характерном для телевизионных матриц, практически незаметны.Отметим ещё одно отличие ПЗС со срытым каналом от ПЗС с поверхностнымканалом: уровни управляющих напряжений для них биполярные, т.
е.напряжение барьера - отрицательное. Причём при некотором его значениипотенциал на границе раздела достигает нуля и дальше изменяться не может, таккак дырки из стоп-канала заполняют поверхность, закорачивая её на стопор иэкранируя канал от дальнейшего изменения электрического поля затвора. Этоявление называется фиксацией поверхностного потенциала (pin) и используется вПЗС с виртуальной фазой и т. н. приборах МРР (multi-pin phase), о чём мы ещёпоговорим. И ещё: скрытый канал невозможно закрыть; как только наступаетфиксация, дальнейшее изменение потенциала канала прекращается.Теперь, прежде, чем рассказать о том, как из одного регистра сделать двумернуюматрицу, несколько слов о том, как, собственно, выглядит стандартныйтелевизионный сигнал черно-белого телевидения.
Мы не будем углубляться вдетали того или иного ТВ стандарта, а рассмотрим общие принципыформирования сигнала.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru–9–ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРПосмотрим на этот рисунок, где схематично изображён ТВ сигнал. Он содержитвидеосигналы отдельных строк, разделённые интервалом обратного хода построке (строчный гасящий интервал), необходимым для того, чтобы электронныйлуч как в кинескопе, так и в передающей камере (вспомним, что этот стандартвозник достаточно давно, в эпоху вакуумных приборов) успел вернуться к началуследующей строки. Во время этого интервала подается и строчныйсинхроимпульс (он формируется не самим датчиком изображения, азамешиваетсявсигналэлектроннымисхемамикамеры).Уровеньсинхроимпульсов принят за 0 В, уровень черного в видеосигнале составляет0,33 В, уровень гасящего – 0,3 В (30 мВ разницы образуют т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
