Приборы с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой совокупность большого числа взаимодействующих между собой МДП-структур, посредством которых может происходить перенос зарядовых пакетов электронов от истока к стоку (рис. 5.19). Количество МДП-структур может достигать нескольких тысяч. Дли­на каждого затвора составляет около 10 мкм, а расстояние между затворами — около 2 мкм. Принцип действия ПЗС базируется на нестационарных процессах в МДП-структурах.

 

ао

Ощ.юоджжж

 

Рассмотрим процессы, происходящие под затвором изолированной от соседних областей МДП-структуры. Если в момент времени t₀ скачком изменить напряже­ние на затворе от u_зи = 0 до u_зи > u_пор, то под затвором в течение очень короткого промежутка времени (порядка времени диэлектрической релаксации) сформи­руется обедненный слой толщиной Д_о, из которого под действием поля затвора удалены дырки. Этот слой является потенциальной ямой для электронов, Глуби­на потенциальной ямы тем больше, чем больше u_зи. Распределение потенциала внутри обедненного слоя в направлении, перпендикулярном поверхности полу­проводника, показано на рис. 5.20.

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 φ_s и толщина обедненного слоя Δ. В момент вре­мени t₂ поверхностный потенциал становится равным , 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 быстро 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 паразит­ной тепловой генерацией.

Для формирования зарядовых пакетов, несущих информацию о полезном сигна­ле, служит устройство ввода, состоящее из р-n⁺-перехода (входного диода) меж­ду истоком и подложкой и входного затвора З_вх. Для переноса зарядовых пакетов вдоль поверхности полупроводникового кристалла на затворы, соединенные между собой через два, подают ступенчатые напряжения (рис. 5.21). Для преобразования зарядовых пакетов в выходной сигнал служит р-n⁺-переход (выходной диод) между стоком и подложкой и выходной затвор З_вых. 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.

За исходный примем интервал τ₀ в котором u₁ - 0, u₂ - 0, u₃ = и_xр = 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 n⁺-областью ир-областью под­ложки. Потенциал стока высокий, он равен φ_к = φ_к0 + и, где и — обратное напряже­ние, поданное на него от источника питания Е_и.п через резистор R_н.

В интервале τ₁ 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 u_пер = 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 u₁ = u_пер, которое больше напряжения хранения u₃ = и_xр 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.

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 τ₂ происходит хранение зарядовых пакетов под затворами 1 и 4. В ин­тервале τ₃ зарядовые пакеты перемещаются под затворы 2 и 5. В интервале τ₄ за­рядовые пакеты хранятся под затворами 2 и 5. В интервале τ₅ происходит переме­щение зарядовых пакетов под затворы 3 и 6. В интервале τ₆ зарядовые пакеты хранятся под затворами 3 и 6 так же, как и в интервале τ₀. 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, пропорциональные освещенности соответствующих участков ПЗС. Если затем обычным путем осуществить сдвиг зарядовых пакетов, то сигнал на выходе ПЗС 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 p-n-переходом?

2. Что такое пороговое напряжение и от чего оно зависит?

3. Что такое напряжение насыщения и от чего оно зависит?

4. Нарисуйте и объясните управляющие и выходные характеристики полевого транзистора.

5. Покажите, как определяются дифференциальные параметры полевого транзистора.

6. Нарисуйте и объясните эквивалентную схему полевого транзистора.

7. Какова роль паразитных емкостей полевого транзистора?

8. Какие физические явления ограничивают частотный диапазон и быстродей­ствие полевого транзистора?

9. Нарисуйте и объясните временные диаграммы токов и напряжений при рабо­те полевого транзистора в импульсном режиме.

 

10. Сравните крутизну полевого транзистора с крутизной биполярного.

11. Поясните принцип работы приборов с зарядовой связью.