Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Зависимость поверхностного потенциала от величины сигнального заряда и напряжения на затворе 1571 7 2 1~ !О ~~а~яд~см от поверхностной плотности сигнального заряда 1~„,я. Для этого сначала запишем с помощью выражений (53) и (56) выражение для глубины обедненного слоя в присутствии сигнального заряда: (59) где 17а и $', — определяются формулами (58а, б).
Обратившись теперь к выражению (11), в правой части которого в режиме глубокого обеднения главную роль играют второе и четвертое слагаемые, можно записать Комбинируя выражения (55а) и (60), получим окончательно где й7 — определяется соотношением (59). Графики этой зависимости п, от 9,;я, рассчитанные в работе 158 1, приведены на рис. 40. Видно, что в интервале значений 1~...=.4 10"' — 10" см ' объемная плотность электронов на границе раздела ~увеличивается пропорционально я )з~'. МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 433 Рис. 40.
Зависимость объемной концентрации электронов на границе с окислом от поверхностной плотности сигнального заряда и напряжения на затворе ~58). ур гб пг Йз~ 4, се 7.4.2. Основные ПЗС-структуры Поперечное сечение типичного трехфазного ПЗС показано на рис. 41 159 ). Это устройство представляет собой полупроводниковую подложку, покрытую однородным слоем изолятора (окисла), на котором достаточно близко друг к другу располо~т;=5В ~тз=ФЮ аЗ=Ю Рис. 41. Поперечное сечение трехфазного ПЗС ~59). а — высокое напряжение на электроде <р„.
б — высокое напряженне на электроде ср, (пронсходнт перенос заряда). 434 Глава 7 Я~~хЫлой зилги Ы%~Ы 5й~ Е Рис. 42. п-Канальный прибор с зарядовой связью [111. о вид сверху; б — поперечный разрез по АА'. жены затворы — электроды переноса. На рис. 41, а представлено состояние хранения информации, когда сигнальный зарядовый пакет находится под средним электродом, напряжение на котором выше, чем на соседних.
Процесс переноса сигнального заряда начинается в тот момент, когда на правый затвор подается импульс более высокого напряжения (рис. 41, б). Трехфазный а-канальный ПЗС (11) в более подробном виде (вместе с входным и выходным устройствами) показан на рис. 42, Собственно ПЗС, или ПЗС-регистр, здесь составляют три пары электродов переноса (затворов), подсоединенные к шинам тактового питания ф,, «рз и «рз. Входное устройство, состоящее из входного диода и входного затвора, обеспечивает ввод сигнальных зарядовых пакетов под первый элвктрод переноса регистра.
Экстракция и детектирование зарядовых пакетов обеспечиваются выходными затвором и диодом. Временнйе диаграммы напряжения на шинах тактового питания, а также входной и выходной сигналы приведены на рис. 43, а (111. Расположение потенциальных ям и распределение сигнального заряда в регистре представлены на рис. 43, б.
В начальный момент времени 1 = 1, на тактовую шину «р, подано высокое напряжение, а на шины срз и ~рз — низкое. Следовательно, потенциальные ямы под затворами фазы ф, глубже МДП-со«руктуры. Приборы о варядовой савва«о 435 потенциальных ям под остальными электродами переноса. Входной (10) и выходной (ОР) диоды заперты большим положительным напряжением, что исключает инжекцию электронов в канал под входным (16) и выходным (06) затворами, а следовательно, и под электроды переноса ПЗС-регистра.
Иными словами, все потенциальные ямы в регистре при ~ = 1, пустые. В момент 1а напряжение на входном диоде уменьшается, последний приоткрывается и инжектирует электроны через входной затвор в потенциальную яму под первым затвором фазы «р,. В конце инжекционного процесса поверхностные потенциалы под первым электродом фазы «р, и входным затвором равны потенциалу на входном диоде. При 1 = 1з входной диод снова запирается высоким напряжением, а избыточный заряд из-под первого электрода фазы «р, через входной затвор стекает обратно в диод. В результате под первым затвором фазы «р, остается вполне определенное количество электронов — сигнальный заряд, величина которого определяется разностью потенциалов фазы «р, и входного затвора.
В момент 1, напряжение на фазе «р, становится высоким, а на фазе «р, оно начинает уменьшаться. При этом сигнальный заряд из-под затвора «р, перетекает под первый затвор фазы «р„ где поверхностный потенциал превышает потенциал фазы «р,. Этот процесс называется переносом. Отметим, что с учетом конечности времени, которое требуется для перетекания заряда из-под одного затвора переноса под другой, задний фронт тактовых импульсов специально делают достаточно пологим. В конце процесса переноса в момент времени 1, весь сигнальный заряд хра- ЮЛ/ 1 5 1 Я ГОб 03 Еыход «~г «гз ,Выход Рис.
43. Диаграммы (а) тактовых импульсов и выходной сигнал в ПЗС и распределения (б) заряда и потенциала вдоль ПЗС в различные моменты времени, отмеченные на тактовых диаграммах 1111. Глава 7 4З6 Р! Р2 Р3 Р! Р2 РУ Р! Р2 Р3 Рт Р! Р2 '- Инала нгп~щи л и- птица Рис. 44.
Электродные структуры и схемы тактового питания ПЗС [601. а — трехфазная электродная структура, полученная селективиым легированием пленки собственного полнкремния; б — трехфазиая электродная структура, в которой использованы три перекрывающихся уровня окисленного кремния; в — базовая четырехтактиая двухуровневая поликремииевая электродная структура; г — комплаиариая двухтактная двухуровневая поликремниевая электродная структура. нится уже под первым электродом фазы грз Через соответствующее число таких циклов переноса (в момент 1а) сигнальный заряд оказывается под последним затвором фазы !р„и, после того как в 'момент 1, напряжение на этой фазе начинает уменьшаться, сигнальный заряд через выходной затвор «выталкивается» в выходной диод.
При этом выходное устройство вырабатывает токовый или потенциальный выходной сигнал, пропорциональный величине зарядового пакета (рис, 43, а). МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью Ссесненны.ч аслапч Ограничение дамана олел.трао перенаса Эгранируюисий еле лупрсст Иуааись говения Зле,гтрос неренеса Снтеп- дирругия Лреиниебая навлекла Сигналь— ный еаряст Рис. 45. Методы бокового ограничения канала, используемые в ПЗС 1101. а — ограничение электродов переноса; б — толстый эащитный слой окисла; а — вы~~к"- легироваииаи диффузионная область; а — поликремниевый экраиирующий элек~р~д.
Описанный выше способ ввода сигнального заряда используется -в аналоговых и запоминающих устройствах на ПЗС, В системах регистрации оптического изображения зарядовые пакеты формируются в результате генерации электронно-дырочных пар светом, проникающим в полупроводниковую подложку. При этом выходные сигналы оказываются пропорциональными локальной освещенности. В современной практике конструирования и изготовления ПЗС используются различные электродные структуры и схемы тактового питания.
Некоторые из них показаны на рис. 44. Трехфазные электродные структуры (рис. 44, а, б) обладают тем преимуществом [б01, что при их изготовлении проблема обеспечения малых (1 — 2 мкм) межэлектродных зазоров решается значительно легче, чем в случае моноуровневых электродных систем (рис. 42). Одно из достоинств поликремниевых электродных структур (рис. 44, б и г) состоит в том, что эти структуры относительно мало- чувствительны к межуровневым закороткам. Для предотвращения растекания сигнального заряда через боковые границы затворов в направлении, перпендикулярном переносу, на практике используются различные способы осуществления так называемого бокового ограничения канала переноса 1101 (рис. 45), слабое подлегирование подложки ионной имплантацией под толстым слоем окисла (рис.
45, б); краевые аленой 9'г еааиитный Ус слей скисла 9" ~ Стон — ноев тееи веса ние Глава 7 высоколегированные диффузионные области, так называемая «топ-диффузия (рис, 45, в); использование дополнительных экранирующих электродов (рис, 45, г), смещающих приграничную область полупроводника в режим аккумуляции.
7.4.3. Перенос заряда и частотные свойства Процесс переноса сигнального заряда в ПЗС определяется тремя основными физическими механизмами: термической диффузией, самоиндуцированным дрейфом и дрейфом в краевых электрических полях. Для относительно малых зарядовых пакетов доминирующим механизмом переноса является термодиффузия. В этом случае полный заряд, оставшийся под электродом, из-под которого осуществляется перенос, к моменту времени 1 от начала переноса экспоненциально уменьшается со временем. Характерная постоянная времени, определяющая скорость такого диффузионного стекания (111, 47.~ тРВ (62) где 1 — длина электрода переноса, а 0„— коэффициент диффузии неосновных носителей. Стекание относительно больших (сравнимых с полной глубиной потенциальной ямы) зарядовых пакетов происходит за счет само- индуцированного дрейфа, обусловленного простым электро.
татическим расталкиванием инверсионных электронов. Возникающее при этом продольное (направленное параллельно границе с окислом) электрическое поле пропорционально градиенту поверхностной плотности сигнального заряда: д дД,(у, 1) С~ ду (63) В результате сигнальный заряд уменьшается во времени по гиперболическому закону [1О! Ж) О г+т„' (64) где: 1, = — л1.'К,С;/2р,„1~, Д вЂ” начальная величина полного сигнального заряда, Ю', — ширина электрода, а р„— подвижность носителей. Оказывается, что и в отсутствие сигнального заряда под электродом переноса на границе с окислом существует определенное продольное электрическое поле. Это так называемое краевое поле, для вычисления которого необходимо учитывать двумерный характер распределения потенциала в обедненном слое ПЗС-структуры, обусловлено влиянием потенциалов на соседних электродах 439 МДП-структуры.
Приборы с зарядовой связью 1о -г Р-' 1У ~ УУУ ~ Ь Ь УУ, УУ 1В' и Урр 1т ар У Вавил Рис. 4б. Теоретическая зависимость нормированного оставшегося заряда от вРемени с начала переноса в ПЗС с длиной затвора 4 мкм н уровнем легирования 1О'ь см '. На вставке приведено распределение поверхностного потенциала вдоль направления переноса 1б!1. (вставка на рис. 46) 1611. Величина краевых полей зависит от толщины слоя окисла, длины электродов, уровня легирования и амплитуды тактовых напряжений.
При типичных значениях параметров напряженность продольного краевого поля под центром электрода переноса составляет 2 10' В см '. Ясно, что на последних стадиях процесса переноса, когда оставшаяся под электродом часть сигнального заряда становится настолько малой, что самоиндуцированное, поле оказывается меньше краевого, именно последнее определяет динамику стекания оставшихся малых порций сигнального заряда. Результаты соответствующих расчетов 1611 приведены на рис. 46, где в логарифмическом масштабе построена зависимость заряда, оставшегося под затвором переноса к моменту времени 1 от начала дрейфа, от времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
