Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Сплошная кривая получена с учетом действия краевого поля, а штриховая соответствует «чистому» самоиндуцированному дрейфу. Определим теперь эффективность переноса т1 как отношение полного заряда, успевшего за время, равное длительности тактового импульса Т, перетечь под затвор В, к величине полного 440 заряда, находившегося под затвором А в начале процесса переноса (вставка на рис. 46): 1 (~(1=Т) ор=о) ' (65) Соответственно неэффективностью переноса будем называть вели- чину е = 1 — т) =Я(~= Т)Ц(~=0).
(66) Как следует из рис. 46, для того чтобы эффективность переноса превышала 99,99 %, или, что то же самое, чтобы неэффективность е была меньше 10 ', тактовые частоты не должны превышать нескольких десятков мегабит в 1 с (10' Гц). В тех случаях, когда требуются более высокие тактовые частоты, следует использовать структуры с более короткими электродами. При этом увеличиваются краевые поля, а следовательно, и скорость перетекания заряда. Динамика процесса переноса сигнального заряда в ПЗС исследовалась также численным анализом системы уравнений Пуассона, непрерывности и транспортных соотношений с учетом двумерности распределения потенциала в активной области прибора 162).
Полученные при этом распределения плотности сигнального заряда и поверхностного потенциала в различные моменты времени с начала переноса приведены на рис. 47. Анализируя графики распределения поверхностного потенциала (рис. 47, а), легко видеть, что скорость стекания заряда весьма велика в начальные моменты времени, что обусловлено высокой скоростью дрейфа электронов в большом самоиндуцированном электрическом поле. Отметим, что уже через 0,8 нс после начала переноса поверхностный потенциал под затвором А практически перестает изменяться со временем.
Это означает, что большая часть сигнального заряда успела к этому времени вытечь из-под левого электрода. При этом разность поверхностных потенциалов под двумя соседними затворами близка к стационарному значению 1,5 В, что также приводит к существенному замедлению скорости. переноса. Из распределений плотности подвижного сигнального заряда (рис. 47, б) видно, что распределение сигнального заряда под электродом А более плавное, чем под электродом В. Это обусловлено тем, что в более глубокой потенциальной яме большими оказываются и краевые поля, «поджимающие» сигнальный заряд к центру ямы.
Отметим также, что в соответствии с графиками, приведенными на рис. 47, б, через 0,8 нс после начала переноса 99 % всех сигнальных электронов находятся уже под электродом В. Рассматривая работу ПЗС, мы до сих пор считали сигнальные электроны свободными и анализировали их движение в соответ- МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью  — — ч Рнс. 47. Распределение потенциала под затворами в различные моменты времени (а) и соответствующие распределения плотности информационного заряда под затворами в процессе переноса (б) (621.
Л 6 'в 16 ~~ 14 н 16 4 -6-6 ,7-1-1 -6 1 3 У т Х 6 Расстояние, млм а и А е 16 Ц „14 В 16 ъ 6 6 6 -6-Х-4 -,У 6-1 6 1 Г,7 Ф 6 6 Расспюяиие, мам б' ствующим образом искривленной зоне проводимости, пренебрегая при этом взаимодействием между зоной проводимости и связанными состояниями в запрещенной зоне кристалла, такими, например, как поверхностные ловушки. Рассмотренные выше меха-' низмы переноса называются моделью переноса свободных зарядов. Эта модель справедлива при сравнительно высоких тактовых частотах и дает разумную оценку предельных тактовых частот ПЗС, превышение которых приводит к резкому снижению эффективности переноса.
Так, например, для ПЗС с длиной затворов -10 мкм и при типичных значениях остальных параметров для обеспечения эффективности переноса не ниже 99,99 % тактовая частота не должна превышать нескольких десятков мегагерц. В области промежуточных ' тактовых' частот эффективнос~~ переноса сигнального заряда определяется главным образом процессом захвата сигнальных электронов на поверхностные ловушки. Процессы захвата и освобождения электронов с повер"- Глааа 7 постных состояний, сопровождающие движение сигнального пакета в трехфазном ПЗС, показаны на рис.
48 [631. Когда сигнальный заряд «входит» в контакт с пустыми поверхностными ловушками, все они практически мгновенно заполняются электронами. После того как этот сигнальный пакет уходит под соседний затвор, захваченные электроны начинают генерироваться с ловушек в зону проводимости. Поскольку энергетический спектр поверхностных ловушек квазинепрерывен, процесс освобождения электронов характеризуется довольно широким спектром сравнительно больших постоянных времени (рис.
20). Поэтому электроны, захваченные на сравнительно мелкие ловушки, освобождаются достаточно быстро и успевают догнать «свой» сигнальный пакет, в то время как электроны с более глубоких ловушек поступают уже в «чужой» пакет, следующий за первым (рис. 48). В результате этого процесса, если на вход ПЗС подать конечную последовательность одинаковых зарядовых пакетов, первые из них подойдут к выходному устройству значительно ослабленными, в то время как за последним еще некоторое число тактов будет тянуться «хвост» отставшего заряда.
Неэффективность переноса, обусловленная рассматриваемым взаимодействием сигнального заряда с поверхностными состояниями, описывается выражением (67) где С;$', — поверхностная плотность сигнального заряда, Рм— плотность поверхностных состояний, а р — число фаз (на рис. 48 р = 3). Для уменыпения неэффективности а следует уменьшать плотность поверхностных состояний. Влияние поверхностных ловушек на эффективность переноса можно существенно уменьшить, постоянно пропуская через ПЗС- Ялекптрабы переноса Ддутал'иеь лреиния Границ а абеднения !1апрабпение перенаеа заеяда Рнс. 48.
Захват и освобождение электронов с поверхностных ловушек под различными электродами в процессе переноса сигнального заряда в трехфазном ПЗС [63]. 443 МДП.сптруктуры. Приборы с варядовоб свлвью регистр некоторое количество фонового (опорного) заряда— так называемый «непустой нуль». При этом поверхностные ловушки оказываются постоянно заполненными электронами из «непустого нуля», что значительно снижает степень их взаимодействия с сигнальным зарядом. Характерная величина заряда такого «непустого нуля» обычно на практике составляет 10— 25 % полной емкости потенциальной ямы. Главный недостаток такого способа увеличения эффективности переноса заключается в соответствующем уменьшении динамического диапазона прибора. При малых тактовых частотах главным фактором, определяющим работоспособность ПЗС, является темновой ток прибора.
Плотность темпового тока можно записать в следующем виде 1111: т ЧиРГ + ив г 9~а~~ и~ 2т Ьн А~А 2 Здесь первое слагаемое — ток, обусловленный объемной генерацией в обедненном слое; второе слагаемое — диффузионный ток генерации неосновных носителей в электронейтральной части подложки, поступающий через область обеднения в инверсионный слой; последнее слагаемое — ток поверхностной генерации; т — время жизни неосновных носителей; 0„— коэффициент диффузии; Е.„— диффузионная длина; 5, — скорость поверхностной рекомбинации.
Процесс релаксации состояния глубокого обеднения МОП-структуры, обусловленный темновым током [641, показан на рис. 49, В начальный момент времени передний фронт импульса напряжения на затворе Уо быстро переводит МОП-струк- ~Л; С/С; огпиат дал"се Абраге Рис. 49. Зависимость емкости МДП-структуры от напряжения и времени при импульсном смещении в режим глубокого обеднения 1641. а нормированная емкость в зависимости от напряженна на затворе; б — нормнро- ванная емкость в зависимости от времени. Глава 7 туру из режима аккумуляции в режим глубокого обеднения (рис. 49, а). С течением времени ток термогенерации постепенно заполняет потенциальную яму неосновными носителями, поверхностный потенциал уменьшается, а емкость структуры растет, асимптотически приближаясь к величине, соответствующей стационарному режиму инверсии (рис. 49, б).
Характерная длительность этого процесса т, зависит от скорости термогенерации неосновных носителей, т. е. от величины темпового тока. Для Я вЂ” %0а-систем типичные значения т, составляют 10-' — 10-' с. Ясно, что для работоспособности ПЗС тактовая частота 1" должна быть достаточно велика, чтобы дополнительный заряд, поступающий в сигнальный пакет при его прохождении через ПЗС-регистр за счет темнового тока Ц, = АатЬ~~Р1 не превышал соответствующей доли максимального сигнального заряда Ямакс = '~СФтК~ (70) В этих выражениях А — площадь затвора, У вЂ” полное число электродов ПЗС-регистра, Р— число фаз (в примере на рис.
42 й~ = 6 Р = 3), Лтр, — максимально допустимый перепад поверхностного потенциала в канале. Следовательно, д,ДГ~..„,, = Ю,Н~(Р~С, М. (71) Если это отношение равно 10-', то для 128-затворного трехфазного ПЗС (У = 128) при толщине слоя затворного окисла 0,1 мкм У, = 10 ' А см-' и Л~ра = 5 В. Низкочастотный предел тактовой частоты, обусловленный темновым током, составляет 1 кГц. В цифровых устройствах на ПЗС сигнальный заряд определенной величины соответствует 1, а пустая яма О.
На рис. 50 приведена частотная зависимость нормированной допустимой (наи~~' 7,Р ~ О :а Г, б ф бс'~ ю с Ю 7б 7Р И К Ю ц Рис. 50. Частотная характеристика ПЗС с поверхностным каналом 1651. МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 445 а б~ бг бЛ Д~ уаеа7оауа 3хюбиого сигпапа по отношению л- так)побой час~лагпе Рис. 51. Частотно-контрастные характеристики и пространственное разрешение в ПЗС лля различных значений неэффективности й1е 1601. худшей) разности между 1 и О, которая равна (1„, — 0„,)/1„.
Поскольку эта разность непосредственно связана с эффективностью переноса заряда, приведенные данные означают, что величина эффективности переноса характеризует работоспособность ПЗС в широком диапазоне тактовых частот. Низкочастотный завал частотной характеристики обусловлен встраиванием дополнительного (за счет темпового тока) заряда в сигнальные пакеты, что, естественно, искажает амплитуду передаваемых сигналов.
Ее высокочастотный спад обусловлен резким уменьшением эффективности переноса, когда длительность тактового импульса оказывается недостаточной для полного перетекания сигнального заряда из-под одного затвора под другой. Для улучшения низкочастотных свойств ПЗС следует уменьшать все компоненты темпового тока, увеличивая время жизни, диффузионную длину и снижая скорость поверхностной рекомбинации. Для расширения рабочего диапазона ПЗС в сторону высоких частот можно уменьшать длину затвора Е, использовать и-канальные структуры (поскольку подвижность электронов выше, чем у дырок) и уменьшать межэлектродный зазор. Перспективным для создания сверхвысокоскоростных ПЗС является использование баАз из-за высокой подвижности электронов в этом материале. Уже имеются ПЗС со скрытым каналом на баАз, работающие с тактовыми частотами до 500 МГЦ 171).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
