Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Распределение потенциала внутри обедненного слоя в направлении, перпендикулярном поверхности полупроводника, показано на рис. 5.20. Ряс. 6.20 С течением времени под затвором происходит сравнительно медленный неконтролируемый процесс тепловой генерации носителей заряда. Образовавшиеся при этом дырки полем затвора выталкиваются из подзатворной области и под затвором происходит накопление отрицательного заряда, в результате чего уменьшаются поверхностный потенциал <р, и толщина обедненного слоя Ь. В момент времени гг поверхностный потенциал становится равным у„,р = 2и, 1п (Ф,/и;), после чего на поверхности начинает формироваться инверсный канал.
Если рассматриваемую подзатворную область, пока она еще не заполнилась электронами, образовавшимися в результате тепловой генерации, соединить с истоком, где много электронов, или с соседней подзатворной областью, заполненной электронами, то электроны очень бцстро заполнят ее и в ней сформируется зарядовый пакет. Если после этого МДП-структуру изолировать от соседних областей, то сформированный зарядовый пакет будет некоторое время сохраняться. Длительность хранения сформированного зарядового пакета ограничена паразит- ной тепловой генерацией.
Для формирования зарядовых пакетов, несущих информацию о полезном сигнале, служит устройство ввода, состоящее из р-п'-перехода (входного диода) между истоком и подложкой и входного затвора 3 . Для переноса зарядовых пакетов вдоль поверхности полупроводникового кристалла на затворы, соединенные между собой через два, подают ступенчатые напряжения (рис. 5.21). Для преоб- 316 Глава 5. Полевые транзисто ы разования зарядовых пакетов в выходной сигнал служит р-и'-переход (выходной диод) между стоком и подложкой и выходной затвор 3,„„. Процессы формирования, переноса и считывания зарядовых пакетов в ПЗС иллюстрируются диаграммами на рис.
5.19, на которых показано распределение поверхностного потенциала вдоль структуры в различные интервалы времени. и т~ тэ и м и и тг и тэ тю п~ Рис. 6.21 За исходный примем интервал т„в котором и, = О, и| = О, иэ = и„, = 10-15 В. При этих условиях потенциальные ямы существуют под затворами 3 и 6, в которых хранятся ранее сформированные зарядовые пакеты. В некоторых потенциальных ямах эти пакеты могут отсутствовать. Потенциал истока в этом интервале равен контактной разности потенциалов между л'-областью и р-областью подложки.
Потенциал стока высокий, он равен <р„= <ры + и, где и — обратное напряжение, поданное на него от источника питания Е„„через резистор А„. В интервале т, происходит формирование зарядового пакета под первым затвором, перенос зарядового пакета из-под третьего затвора под четвертый и считывание зарядового пакета из-под шестого затвора. Для формирования зарядового пакета на первый затвор подают напряжение переноса и„,р = 20-25 В, на исток подают отрицательный импульс напряжения, включающий входной диод в прямом направлении, а на входной затвор подают управляющее положительное напряжение сигнала, в результате чего происходит инжекция электронов под входной затвор, а затем их переход в более глубокую потенциальную яму под первым затвором.
Величина зарядового пакета зависит от напряжения сигнала и длительности управляющего импульса Если напряжение сигнала равно нулю, то зарядовый пакет не формируется. Перенос зарядового пакета из-под третьего затвора под четвертый обусловлен тем, что на четвертый затвор поступает напряжение переноса и, = и„,„, которое больше напряжения хранения и, = и„„действующего на третьем затворе, вследствие чего потенциальная яма под четвертым затвором оказывается более глубокой, чем под третьим. Поэтому зарядовый пакет перемещается в более глубокую потенциальную яму под четвертым затвором.
5.6. Приборы с зарядовой связью З17 Считывание информации происходит вследствие того, что на выходной затвор подается положительный импульс напряжения и под ним образуется потенциальная яма, более глубокая, чем под последним (шестым) затвором, поэтому электроны переходят под выходной затвор, а затем в сток. В цепи стока возникает импульс тока, и на выходе схемы появляется отрицательный импульс напряжения.
Если же под последним затвором пакет отсутствует, то ток в цепи стока равен нулю. В интервале т, происходит хранение зарядовых пакетов под затворами 1 и 4. В интервале т, зарядовые пакеты перемещаются под затворы 2 и 5. В интервале т, за-' рядовые пакеты хранятся под затворами 2 и 5. В интервале т, происходит перемещение зарядовых пакетов под затворы 3 и 6.
В интервале т, зарядовые пакеты хранятся под затворами 3 и 6 так же, как и в интервале т,. Далее процесс повторяется, и зарядовые пакеты последовательно перемещаются вдоль поверхности полупроводникового кристалла. ПЗС являются типично динамическими устройствами, следовательно, они имеют нижний и верхний пределы частоты тактовых импульсов.
Нижний предел тактовой частоты определяется заполнением потенциальных ям неконтролируемыми электронами. В зависимости от температуры и свойств полупроводника заметное накопление электронов в пустых потенциальных ямах может произойти за время от сотых долей до единиц секунд. Для увеличения допустимого времени хранения зарядовых пакетов снижают концентрацию ловушек, через которые происходит генерация носителей заряда, температуру и т. д. Нижний предел тактовой частоты ПЗС лежит в пределах от 30 до 300 Гц. Верхний предел тактовой частоты определяется временем перетекания заряда из одной потенциальной ямы в другую, это время составляет несколько наносекунд.
За более короткое время зарядовый пакет не успевает перейти из одной потенциальной ямы в другую. Поэтому верхний предел тактовой частоты составляет десятки мегагерц. Из рассмотренного принципа работы следует, что ПЗС представляет собой запоминающее устройство типа линии задержки, в которой время задержки может регулироваться путем изменения частоты тактовых импульсов, что позволяет использовать ПЗС в качестве запоминающих устройств ЭВМ.
На базе ПЗС могут быть построены устройства сложной обработки цифровых сигналов, представленных в зарядовой форме. В настоящее время создана микросхемотехника с использованием ПЗС для суммирования, вычитания, умножения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразований сигналов. С помощью ПЗС могут запоминаться и аналоговые сигналы. Для этого необходимо обеспечить условие адекватности величины зарядового пакета величине аналогового сигнала, что схематически нетрудно осуществить. Формирование зарядовых пакетов можно осуществить не только с помощью инжекции, как об этом сказано ранее, но и с помощью освещения поверхности кристалла, на которой созданы МДП-структуры, что нашло применение в телевидении с целью преобразования изображения в электрический сигнал.
Принцип действия таких ПЗС основан на том, что при освещении ПЗС в потенциальных ямах под затворами образуются зарядовые пакеты электронов, пропорциональ- З1В Главаб. Полевывт анзисто ы ные освещенности соответствующих участков ПЗС. Если затем обычным путем осуществить сдвиг зарядовых пакетов, то сигнал на выходе П3 С будет повторять распределение освещенности вдоль горизонтальной цепочки МДП-структур; количество таких горизонтальных цепочек должно быть равно числу строк передаваемого телевизионного изображения.
В настоящее время созданы приборы более совершенные по сравнению с ПЗС, имеющими трехфазное питание затворов. К ним относятся ПЗС на структурах с плавающим затвором, ПЗС на МНОП-структурах, ПЗС со скрытым каналом и двухфазным управлением и ряд других. В этих типах приборов удалось упростить технологию изготовления, сократить расстояние между затворами.
Время хранения информации в них доходит до нескольких десятков тысяч часов. Контрольные вопросы 1. Чем отличается полевой транзистор с изолированным затвором от транзистора с управляющим р-и-переходом? 2. Что такое пороговое напряжение и от чего оно зависит? 3. Что такое напряжение насыщения и от чего оно зависнт7 4. Нарисуйте и объясните управляющие и выходные характеристики полевого транзистора. 5. Покажите, как определяются дифференциальные параметры полевого транзистора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
