Приборы с зарядовой связью

Одним из наиболее значительных достижений электроники яв­ляются приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые с точки зре­ния их исполнения представляют собой совокупность МДП -струк­тур и являются планарными конденсаторами с соответствующей структурой. Первый ПЗС был изобретен в 1969 г. и представлял со­бой линию задержки на МДП-конденсаторах. Схема МДП-конден­сатора приведена на рис. 2.13. Область стоп-диффузии называется стоп-каналом, представляет собой узкую полоску с повышенной концентрацией основной легирующей примеси и служит для лока­лизации зарядовых пакетов в поперечном направлении.

Концентрация легирующей примеси определяет, при каком конкретном напряжении на затворе под действием электрического поля в подзатворной области подложки происходит процесс ин­версии типа проводимости. Технологический процесс получения ПЗС должен в простейшем случае обеспечить лишь нанесение металлических электродов на слой диэлектрика, который созда­ется на поверхности кремниевой подложки. При этом не нужно проводить операции диффузии и вскрывать окна в слое диэлектрика. Единственной операцией является маскирование для созда­ния метaллических слоев.

Рассмотрим процессы, происходящие в МДП-конденсаторе при импульсном возбуждении. Если к металлическому электроду 1(см. рис. 2.13) приложить положительное напряжение, то под поверх­ностью полупроводника в случае полупроводниковой подложки р-типа образуется слой 2, свободный от основных подвижных но­сителей - дырок. Как и в случае МДП -транзистора такой слой называется обедненным слоем, а состояние кремния - состояни­ем обеднения.

С течением времени обедненная область заполняется неоснов­ными носителями заряда (в рассматриваемом случае - электро­нами), т. е. происходит процесс инверсии типа проводимости. Если при этом параллельно происходит какой-либо физический про­цесс, инициирующий генерацию свободных электронов в такой структуре (например, облучение светом и генерация фотоэлект­ронов), то заполнение происходит гораздо быстрее. Под электро­дом образуется инверсионный слой толщиной около 10 нм, пред­ставляющий собой потенциальную яму. Распределение потенциала U в глубину полупроводника описывается уравнением Пуассона:

(2.12)

где е --заряд электрона; - концентрация акцепторной примеси.

Тогда путем несложных преобразований с учетом толщины слоя окисла L, глубины обедненного слоя для напряжения на металлическом электроде можно получить

(2.13)

где - заряд неосновных носителей, находящихся у поверхнос­ти и приходящийся на единицу площади.

Величина заряда не остается постоянной с течением време­ни, а увеличивается за счет тепловой генерации носителей в объе­ме полупроводника, диффузионного тока на краях обедненной об­ласти и за счет тепловой генерации на поверхностных дефектах кристаллической структуры. В результате состояние полупроводни­ка под электродом после приложения положительного напряже­ния изменяется от глубокого обеднения до сильной инверсии, т. е. до того состояния, когда концентрация электронов становится рав­ной акцепторной примеси. При этом отрицательный заряд приме­си в обедненной области нейтрализуется положительным зарядом, возникающим в процессе тепловой генерации электронно-дыроч­ных пар.

Таким образом, электроны, накапливаясь в потенциальной яме, частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полу­проводнике затвором, и могут его полностью компенсировать, но при этом в верхнем при поверхностном слое полупроводника образуется тонкий слой электронов, т. е. возникает заряд.

Время, в течение которого происходит переход из одного со­стояния в другое, называется временем храненияи зависит от чис­тоты исходного материала и технологии изготовления полупро­водникового монокристалла. Современная технология позволяет получать полупроводниковые кристаллы с временем хранения от нескольких минут до пикосекунд. В течение этого времени МДП­-конденсатор можно использовать для хранения аналоговой ин­формации, представленной зарядом под электродом. Этот заряд можно инжектировать либо через специальный р-n-переход, либо фотоэлектрическим способом.

В результате создания подобной структуры и ее функциониро­вания МДП-конденсаторы можно использовать в качестве запо­минающего устройства. Для этого необходимо инжектировать под электрод зарядовые пакеты, пропорциональные амплитудам от­счетов входного сигнала, и передавать информацию от одного конденсатора к другому с минимальными потерями. Следователь­но, устройство должно работать в динамическом режиме и обес­печивать на выходе преобразование зарядового пакета в электри­ческий потенциал. Приемник изображения, который эффективно используется в фото- и видеокамерах, представляет собой двух­мерную матрицу из ПЗС-элементов.

В основе работы таких ПЗС лежит явление внутреннего фото­эффекта. Когда в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда: электрон и дырка. Электростатическое поле в области пиксела «растаскивает» эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда - электроны - будут на­капливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют.

Носители, сгенерированные за пределами обедненной обла­сти, медленно движутся (диффундируют) и обычно рекомбини­руют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обед­ненной области, могут диффундировать в стороны и могут по­пасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазо­нах длин волн ПЗС имеют 'разрешение хуже, чем в видимом диа­пазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается.

Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен. пзс обладает замечательным свойством - само­сканированием, которое заключается в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трех электро­дов или тактовых шин (один передающий электрод, один прини­мающий электрод и один изолирующий электрод, разделяющий принимающий и передающий электроды друг от друга). Одноимен­ные электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего выво­да. Таким образом, реализуется простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС.

Перенос в трехфазном пзс можно выполнить в одном из двух направлений: влево или вправо. Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. ДВУХ­мерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп­каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп-каналы- это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, кото­рые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Типичная ПЗС-матрица создается следующим образом. На по­лупроводниковой подложке (например, р-типа проводимости) формируется тонкий (0,10... 0,15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электро­дов (из металла или поликристаллического кремния). Эти электро­ды образуют линейную или матричную регулярную систему, при­чем расстояния между электродами настолько малы, что существен­ными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Схема такой матрицы показана на рис. 2.14, а. Принцип работы ПЗС, как отмечалось ранее, основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при при­ложении к электродам внешних электрических напряжений.

Если к какому-либо электроду приложить положительное на­пряжение, то в МДП -структуре возникнет электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быст­ро (за единицы пикосекунд) уйдут от поверхности полупровод­ника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, тол­щина которого составляет доли или единицы микрометра. Не­основные носители заряда (электроны), генерированные в обед­ненном слое под действием каких-либо (например, тепловых) процессов или попавшие туда из нейтральных областей полупро­водника под действием диффузии, будут перемещаться (под дей­ствием поля) к границе раздела полупроводник-диэлектрик и локализоваться в узком (порядка 0,01 мкм) инверсном слое. Та­ким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейт­ральную часть полупроводника.

Через некоторое время после приложения напряжения МДП­структура переходит в состояние термодинамического равнове­сия, характеризующегося образованием стационарного инверс­ного слоя, концентрация носителей в котором постоянна во вре­мени. В ПЗС используется нестационарное состояние МДП-струк­туры. Так как скорость термогенерации носителей мала, потен­циальную яму МДП-структуры можно использовать для времен­ного хранения сигнальных зарядовых пакетов. Максимальное вре­мя хранения в основном ограничено процессами термогенера­ции электронно-дырочных пар на поверхности и обедненном слое. Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает сиг­нальный, соответствующий хранению цифровой или аналого­вой информации. Максимальное время хранения определяется как свойствами полупроводника, так и допустимой степенью искажений; оно составляет в реальных устройствах (без прину­дительного охлаждения) единицы или десятки миллисекунд.

На рис.2.14, апоказаны два р- n-перехода, которые служат для ввода и съема сигнала. Между переходами располагается n-область, на поверхности которой создается потенциальная яма, перемеща­ющаяся вдоль ПОД1Iожки. Имеется также система металлических элек­тродов (затворов), которые соединены с источниками напряже­ний <f>1, <Р2 И <f>з. Предположим, что в область подложки, располо­женной под первым электродом, инжектирован положительный заряд неосновных носителей (пакет зарядов). Если другие электро­ды находятся под напряжением выше порогового, то данный пакет зарядов перемещается вдоль подложки под действием электриче­ского поля, созданного трехфазной системой напряжений. Поэто­му цепочка ячеек ПЗС работает подобно регистру сдвига. Как видно из рис. 2.14, б, для направленного перемещения пакета зарядов необходимо иметь три отрицательных напряжения, удовлетворяю­щих неравенствам . При этом самый низкий потенциал определяет глубину потенциальной ямы.

Каждому импульсу управляющего напряжения соответствует определенный квазиуровень Ферми неосновных носителей в под­ложке. Носители перемещаются вдоль подложки вправо до тех пор, пока не достигнут области потенциальной ямы , в которой на­капливается заряд:

(2.14)

где емкость, обусловленная оксидным слоем; - потенци­ал поверхности подложки под электродом с напряжением из при условии, что в потенциальной яме содержится заряд; - по­тенциал под электродом с напряжением при отсутствии заря­да, играющий роль отсчетного уровня.

ПЗС обладает способностью запоминать информацию, так как наличию или отсутствию заряда в определенной точке соответ­ствует одна двоичная единица. Процесс переноса заряда подчиня­ется обычным законам дрейфа и диффузии. Поэтому в одномер­ном случае имеем

(2.15)

где - подвижность дырок; - коэффициент диффузии дырок.

Большое влияние на работу ПЗС оказывает расстояние между соседними затворами. Это расстояние желательно сокращать, обеспечивая при этом конфигурацию поля, необходимую для процес­са управления переносом заряда. ПЗС представляет собой сово­купность МДП -структур, сформированных на подложке таким образом, что они оказывают взаимное влияние друг на друга вслед­ствие взаимодействия приложенных внешних электрических по­лей. Взаимодействие соседних потенциальных ям возникает либо благодаря малому (0,1... 1,0 мкм) расстоянию между соседними электродами, либо при создании специальных легированных об­ластей, сформированных в полупроводнике и электрически свя­зывающих соседние потенциальные ямы.

Можно сказать, что потенциальные ямы объединяются и элек­троны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если ее потенциал выше. Благодаря взаимодействию соседних потенциальных ям можно осуществлять направленную передачу зарядов. Процессом такой передачи управляют специ­альные периодические последовательности электрических импуль­сов, подаваемые на электроды.

Если ПЗС осветить, то поглощаемые в полупроводнике фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обедненном слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электро­ны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в ней­тральную область полупроводника. Величина зарядов ого пакета, на­капливаемая в данном элементе, в первом приближении пропорци­ональна усредненному по площади элемента потоку фотонов и вре­мени накопления. Использование ПЗС в астрономической практике в условиях низкой освещенности для фиксации света звездных объек­тов обычно требует большего времени накопления сигнала (секунды и десятки секунд). для ослабления влияния термогенерации пара­зитного сигнала в этих случаях необходимо охлаждать приемник. для бытовых целей и забавных «игрушек» типа мобильного телефона с фото- или видеокамерой ничего охлаждать не нужно.

Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95... 98 %, т. е. практически каж­дый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100%-й вероятностью. Как и другие полупроводниковые детекто­ры, ПЗС имеют определенную область спектральной чувствитель­ности. Длинноволновая граница определяется шириной запрещен­ной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм. Ко­ротковолновая граница равна 0,4... 0,5 мкм и обусловлена силь­ным поглощением коротковолновых квантов света в тонком при­поверхностном слое, в котором одновременно с фотогенерацией носителей интенсивно происходит их рекомбинация. Фоточув­ствительные ПЗС принципиально могут быть реализованы на раз­нообразных полупроводниковых материалах (с разной шириной запрещенной зоны), что позволяет пере крыть широкую область спектра, включая инфракрасный диапазон.

Поиск по сайту: