Материал: Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС)

 (0.2-5 мА/В)

Если производится управление по подложке, а такой режим вполне применим, то вводится еще крутизна характеристики по подложке

Внутреннее сопротивление ПТ (0,1-0,5 кОм)

Коэффициент усиления по напряжению (100-500)

Параметры ПТ связаны между собой уравнением .

В схемах часто электрически соединяют подложку с истоком. В этом случае эквивалентная схема имеет вид рис. 10.

Рис. 10

В этой схеме активным элементом, определяющим усилительные свойства транзистора является генератор тока SU_з.

Пассивные элементы:

R_i - дифференциальное внутреннее сопротивление;

С_си - паразитная емкость сток-исток (порядок - десятые доли пФ)

С_зс - емкость обратной связи между затвором и стоком (1-3 пФ)

С_зи - емкость между затвором и истоком.

Достоинством МДП-транзистора являются малые шумы, отсутствуют шумы, связанные с генерационно-рекомбинационными процессами.

Недостаток таких ПТ - боятся статического электричества.

Приведем в заключении общую табл. 1 ВАХ и схемы включения ПТ.

Таблица 1

4. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью

ПЗС представляет собой совокупность взаимодействующих МДП-структур, которая обеспечивается общностью полупроводникового слоя и малыми расстояниями между МДП-структурами, рис. 11. Принцип действия ПЗС состоит в том, что в каждой отдельной МДП-структуре можно создать локальный приповерхностный заряд неосновных носителей (зарядовый пакет) и перемещать его вдоль поверхности, от одной МДП-структуры к другой, меняя должным образом напряжение на металлических электродах.

Рис. 11

Поскольку общность полупроводникового слоя принципиальна для работы ПЗС, его формально можно рассматривать как особый полупроводниковый прибор, который подобно транзистору нельзя осуществить на дискретных компонентах. Однако тот факт, что ПЗС состоит из множества технологически объединенных МДП-структур, расположенных на весьма малых расстояниях друг от друга, позволяет считать его типичным продуктом микроэлектроники, т.е. интегральной схемой. Более того, ПЗС является примером БИС, так как количество МДП структур в нем достигает нескольких тысяч.

Принцип действия. По аналогии с МДП-транзисторами металлические электроды ПЗС называют затворами. Рабочее напряжение на затворах ПЗС больше порогового (полярность «-» имеются в виду модули напряжения), поэтому в полупроводнике под затвором образуются сравнительно глубокие обедненные слои. Что касается тонких инверсионных слове вблизи поверхности полупроводника, то в ПЗС их образование нежелательно.

Как известно, глубина обедненного слоя находится в прямой зависимости от напряжения на затворе. В связи с малым расстоянием между МДП-элементами их обедненные слои сливаются в единый, «дно» которого имеет определенный рельеф, соответствующий распределению напряжений на затворах. Так, если напряжение U₁ на всех затворах одинаков, обедненный слой вдоль всей поверхности имеет одну и ту же глубину (рис.15,а, режим покоя). Если же отрицательное напряжение на данном затворе U₂ больше, чем на смежных, то под ним получается «углубление» (рис.12, б и в, соответственно режимы хранения и записи). Геометрическому рельефу обедненных слоев соответствуют потенциальный рельеф: в области «углублений» обедненного слоя имеет место минимум потенциала - потенциальная яма.

Рис. 12

Пусть на затворах З₁ и З₃ (рис. 12, б) действуют напряжения - U₁ и U₃, а на среднем, более отрицательное - U₂. Тогда на границах З₂ образуются ЭП, препятствующие перемещению положительных зарядов - дырок из-под этого затвора. Поэтому, если под З₂ создать тем или иным путем зарядовый пакет дырок, то он будет сохраняться в этой области длительное время.

Действительно, дырки не могут уйти из этой области в связи с наличием тормозящих полей на границах, а в самой области под затвором почти нет электронов, с которыми дырки могли бы рекомбинировать.

Этот случай в ПЗС называется режимом хранения, а напряжение U₂ - напряжением хранения.

Суммарный положительный заряд под затвором определяется напряжением на затворе (в данном случае U₂). Поэтому появление дырочного пакета сопровождается уменьшением заряда «обнаженных» доноров в обедненном слое, т.е. уменьшением глубины этого слоя (рис.15,б рельеф обедненного слоя в отсутствие дырок показан штриховой линией).

Очевидно, что максимальный заряд дырочного пакета ограничен величиной, при которой рельеф ОС (обедненного слоя) выравнивается; тогда тормозящие поля на границах между затворами исчезают и дырочный пакет распределяется вдоль всей поверхности. Максимально допустимый заряд дырочного пакета имеет вид:

Q_макс = (U₂ - U₁)C₀(ZL),

где С₀ - удельная емкость диэлектрика;

Z - ширина;

L - длина затвора.

В процессе хранения (информации) дырочного пакета под данным затвором появляются дополнительные дырки, обусловленные термогенерацией носителей. При этом заряд пакета увеличивается и делается сравнимым с зарядом дырок под смежными затворами, где тоже имеет место термогенерация. Это приводит к выравниванию и исчезновению зарядных пакетов - основы ПЗС.

Следовательно, время хранения ограничено, и зависит от того, какое изменение заряда дырочного пакета допустимо за время хранения. Если это изменение составляет 1%, то время хранения не превышает 10-20 мс.

Таким образом, работа ПЗС основана на нестационарном режиме МДП элементов, а он сам является прибором динамического типа.

Рассмотрим процесс перемещения зарядового пакета. Пусть на З₃ подано напряжение -U₃, больше, чем напр. U₂ на З₂ (рис. 12, в). Тогда на границе З₂ и З₃ образуется ускоряющее эл. поле, способствующее перемещению дырок к З₃. Соответственно дырочный пакет, хранившийся под З₂, перейдет под З₃ и останется здесь, поскольку на границе со следующим затвором З₄ действует тормозящее поле.

Ввод зарядового пакета под той или иной затвор называют режимом записи информации, а напряжение - U₃, обеспечивающее такой ввод,- напряжением записи.

В процессе записи зарядовый пакет (ЗП) переходит под смежный затвор не полностью: имеют место потери заряда. Такие потери обусловлены:

- во-первых, за время записи не весь заряд успевает перейти под смежный (т.е. процесс перетекания заряда носит асимптотический характер);

- во-вторых, часть носителей, хранившихся под предыдущим затвором, оказывается захваченной приповерхностными ловушками и не успевает «оторваться» от них за время записи. Для снижения этих потерь необходимо чтобы время записи было достаточно большим (около 50 нс). Ясно, что время записи уменьшается с уменьшением расстояния между затворами, с увеличением подвижность носителей напряжения записи.

Параметры приборов. Для обеспечения хранения и записи ЗП, необходимо менять напр. на затворах в строгой последовательности.

На рис. 13 приведена типичная 3-х фазная схема управления ПЗС, а также один из способов ввода и вывода неравновесного дырочного заряда с помощью р-n-переходов. Напряжение фаз 1, 2 и 3 подаются на каждый третий затвор ПЗС и сдвинуты друг относительно друга на 1/3 периода (рис.13,б). Обычно U₁ задается в виде постоянного смещения на все затворы, а U₂ и U₃ получают наложением импульсов специальной формы на это смещение (форма импульсов показана точками на кривой U_a в интервале t₄ …t₇).

а

Рис. 13

Пусть в момент t₁ напряжение на затворах такие, как показано на рис. 13, б, и пусть в начале этого интервала через входной р⁺-n-переход осуществлена инжекция дырок под 3₁ (для чего к р⁺-n-переходу нужно приложить импульс прямого напряжения). Инжектированные дырки будут сохраняться под 3₁, так как на нем действует большее отрицательное напряжение, чем на З₂.

В следующий интервал времени на фазу 2 подается максимальное напряжение записи U₃. При этом дырки переходят от 3₁ под З₂. Далее напряжение на фазе 2 уменьшается до U₂, соответствующее режиму хранения. Одновременно напряжение на 1 уменьшается от U₂ до U₁. Это предотвращает возврат дырок к З₁. В следующий момент времени, когда напряжение записи U₃ подается на фазу 3, осуществляется сдвиг заряда из-под З₂ к З₃. Далее этот процесс продолжается в той же последовательности до достижения зарядовым пакетом выходного затвора. Поскольку на выходном р⁺-n - переходе действует обратное смещение, дырки, переходящие от предпоследнего затвора к последнему, тотчас же захватываются полем перехода и дают импульс тока в выходной цепи. Этим заканчивается транспортировка заряда, инжектированного в момент t₁. Разумеется, во время транспортировки заряда, можно вводить через входной р⁺-n - переход новые дырочные пакеты.

Типичные напряжения хранения U₂ и записи U₃ составляют 10-15В и 20 - 25В. Напряжение смещения U₁ близко к пороговому напряжению МДП-элементов 2-4 В.

Из рис.13 видно, что период Т = З(t_зап + t_хр), при этом общая задержка t_з между выходным и входным сигналами при количестве МДП-элементов N будет

t_з = 1/3(N - 1)T = 1/3(N - 1)/f, где f = 1/T

(на практике t_зап ≠ t_хр, и зависит от назначения ПЗС).

Максимальная частота при t_хр<< t_зап определяется как

f_макс = 1/(3t_зап)

Количественный характеристикой полноты передачи заряда является коэффициент эффективности

Η = 1 - ∆Q/Q = 1 - ε,

где Q - передаваемый заряд; ∆Q - потеря заряда при передаче; ε - коэффициент потерь.

При зазоре между Зi в 2-3 мкм и t_зап = 20-50 нс получают единичный коэффициент потерь ε₁ = (2-5)10^-4, что позволяет использовать несколько сотен элементов.

Значение t_зап = 20-50 нс соответствует f_макс = 6-15 МГц. При максимальной частоте (когда t_хр << t_зап) хранение по существу отсутствует: заряд непрерывно передается от одного МДП-элемента к другому.

Минимальная частота f_мин соответствует обратному условию

t_хр >> t_зап, тогда f_мин = 1/(Зt_хр).

Обычно f_мин ограничено и составляет f_мин≥30-300 Гц при t_хр ≤ 1-10мс.

Одним из достоинств ПЗС является малая потребляемая мощность. В режиме хранения мощность практически не потребляется. Токи в затворе протекают только при передаче-записи заряда. Поэтому

Р_макс = (Q_макс (U₃ - U₂))/Зt_зап ≈ (U₃ - U₂)²ZLC₀ f_макс

Типичные значения (U₃ - U₂ ≈ 10В, Z = 20мкм; L = 10мкм; С₀ = 200 nФ/мм², f_макс = 10 МГц), Р_макс = 4мкВт/бит.

Области применения и конструктивные варианты.

Задержка импульсов на заданное время - одна из важнейших функций ПЗС.

Вторая функция связана с возможностью сравнительно длительного хранения информации (достаточно прервать последовательности управляющих (тактовых) импульсов тока, как пакеты инжектированных дырок расположились в соответствующих МДП ячейках). В период считывания снова подаются тактовые импульсы и записанная информация последовательно поступает на выход. Запоминающие устройства (ЗУ) такого типа не обеспечивают произвольную выборку. Тем не менее, они используются в цифровой технике, причем емкость таких ЗУ достигает 8-16 кбит и более. Чтобы обеспечить длительное хранение, приходится периодически осуществлять регенерацию записанной информации.

Уникальная функция ПЗС связана с тем, что заряд дырок можно вводить не с помощью р-n-перехода, а путем локального освещения поверхности. При этом под соответствующим затвором образуется заряд, пропорциональный освещенности (под действием света образуются электронно-дырочные пары, электроны отталкиваются полем затвора, а дырки накапливаются в потенциальной яме).

Т.о. совокупность зарядов под затворами будет характеризовать изображение спроектированное на ПЗС. Подавая управляющее трехфазное напряжение, получим на выходе ПЗС последовательность импульсов, амплитуды которых пропорциональны освещенности разных участков - принцип широко используемый в телевидении.

Рассмотренный трехфазный метод управления не лишен ряда недостатков: - для хранения одного дырочного пакета необходимо три смежных МДП элемента;

- во избежание пересечений - необходима трехслойная металлизация;

- близкое расположение ячеек чревато «закорачиванием».

Более совершенной структурой является приведенная на рис. 14.

Рис. 14

Во-первых, она двухфазная (т.е. на один дырочный пакет приходится 2 элемента, металлизация может быть двухслойной); во вторых, отсутствуют зазоры между элементами.

Каждый МДП-элемент содержит два соединенных между собой затвора: один «скрытый» - кремниевый, другой обычный алюминиевый, расположенный на поверхности оксидного слоя. Поскольку кремниевые затворы расположены ближе к полупроводниковому материалу, чем алюминиевые, глубина обедненного слоя оказывается разной в пределах одного элемента. Такая разница сохраняется и в режиме записи (см. штриховую линию на рис. 14). Именно поэтому переместившийся заряд не может вернуться к предыдущему элементу, несмотря на двухфазное питание. Особенности данной структуры обеспечивают более высокие плотность компонентов и степень их интеграции, а также большее быстродействие f_макс = 20-50 МГц.

Еще большее быстродействие удается достигнуть в структуре ПЗС со скрытым каналом (рис. 15).

Рис. 15

На подложке n-типа выращен эпитаксиальный р-слой, толщиной несколько микрон. Распределение потенциалов в такой структуре при отрицательном смещении на затворах и при U_р = 0 показано на рис.15,б штриховой линией. Если задать на р-слое достаточно большее отрицательное напряжение - U_р, то р-n-переход окажется под обратным смещением близким к U_р и распределение потенциалов будет таким, как показано на рис.15,б непрерывными линиями. Как видим, минимум потенциала переместился от границы с диэлектриком вглубь р-слоя. Именно в этой области будут теперь располагаться дырочные пакеты.

Таким образом, ПЗС со скрытым каналом характернее тем, что зарядовые пакеты изолированы от поверхности и находятся в объеме полупроводника. Соответственно увеличивается подвижность носителей и устраняется влияние приповерхностных ловушек. Оба эти фактора способствуют повышению быстродействия и уменьшению коэффициента потерь. Для ПЗС со скрытым каналом максимальная рабочая частота 500 - 800 МГц, а коэффициент потерь равен 10^-6 - 10^-7. При этом количество МДП-элементов может составлять несколько тысяч и более. Однако, поскольку потенциальная яма в данной структуре удалена от поверхности, требуются большие рабочие напряжения, а величина максимального заряда в пакете оказывается меньше, чем в ПЗС с поверхностным каналом.