Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

312

Гл. 5.

Приборы

зарядовой

связью

вход

Ф2

Рис. 5.1. Аналоговая линия задержки на «пожарных цепочках» (с) и ее реали-

зация на дискретных полевых транзисторах (6) [212]

Пожарная цепочка представляет собой набор последовательно

включенных запоминающих элементов (каждый из которых состоит

из запоминающего конденсатора и электронной схемы повторителя),

соединенных друг с другом с помощью ключей (см. рис. 5.1а). При

замыкании любого ключа К напряжение (заряд) с предыдущего кон-

денсатора в цепочке копируется на следующий конденсатор. Если в та-

кой схеме попеременно замыкать каждый второй ключ, то напряжение

со входа цепочки при каждом переключении будет последовательно

перемещаться на один шаг вдоль цепочки и на выходе цепочки сигнал

появится с задержкой, равной произведению интервала времени между

переключениями на число элементов в цепочке.

Реализация схемы пожарной цепочки на полевых транзисторах

показана на рис. 5.1 б. Движущей силой, заставляющей в этой схеме

заряд перемещаться с конденсатора на конденсатор, является напря-

жение между стоком и истоком, которое наводится конденсатором,

подключенным к тактовой шине (ф\ или Ф2), и появляется в момент

открывания полевого транзистора.

Идея приборов с зарядовой связью была высказана в 1969 г.

В. Бойлом и Дж. Смитом [214], работавшими в Bell Laboratories

и искавшими пути создания электрического аналога запоминаю-

щего устройства на цилиндрических магнитных доменах

Простейшей конструкцией прибора с зарядовой связью яв-

ляется трехтактный регистр сдвига (см. рис. 5.2). Он состоит

) Любопытно, что благодаря тому, что технологическая база для создания

ПЗС была подготовлена предыдущими разработками интегральных схем на

МОП-транзисторах, время, понадобившееся для практической реализации идеи

ПЗС в виде прибора, составило всего несколько недель. По-видимому, ПЗС

является единственным прибором, реализация которого была столь быстрой.

Гл. 5.

Приборы

зарядовой

связью

313

из цепочки МОП-конденсаторов и системы управляющих элек-

тродов, которые подсоединены к трем тактовым шинам ф\, Ф2

и Из-за более высокой подвижности электронов по сравнению

с дырками ПЗС обычно создают на подложках р-типа. Прин-

ципиально важным моментом в работе этих приборов является

то, что МОП-конденсаторы работают в условиях неравновесного

заполнения потенциальных ям электронами

). В режиме хра-

нения на одну из шин на рис. 5.2 а) подается положительный

потенциал хранения V

xpa

„ > ^

пор

и под подключенными к этой

шине электродами возникают потенциальные ямы, в которых мо-

гут храниться зарядовые пакеты электроноврежиш перёоачи

информации на группу соседних электродов (ф$) подается на-

растающий потенциал, а потенциал на шине Ф2 через некоторое

время снижается (см. рис. 5.26). При этом электроны из ям,

в которой они хранились, перетекают в соседние ямы. После

установления новых напряжений на тактовых шинах ПЗС снова

переходит в режим хранения, однако зарядовые пакеты уже ока-

зываются передвинутыми. При многократном повторении этих

действий зарядовые пакеты перемещаются вдоль поверхности по-

лупроводника в направлении, задаваемом расположением управ-

ляющих электродов. Для направленного перемещения зарядов

при симметричной конструкции МОП-конденсаторов необходимо

иметь не менее трех управляющих электродов, поскольку в ре-

жиме передачи по крайней мере один из них должен формиро-

вать барьер, предотвращающий перенос заряда в нежелательном

направлении.

Основными параметрами приборов с зарядовой связью явля-

ются три величины: максимальный заряд в потенциальной яме,

максимальное время хранения и эффективность переноса заряда.

Максимальный заряд в яме представляет собой заряд, кото-

рый может удерживаться в яме без ее «переполнения». Поверх-

ностная плотность этого заряда определяется напряжением на

затворе МОП-конденсатора в режиме хранения К,.

хран

и состав-

ляет, как это следует из формул п. 4.1.2,

(^ss)max = —Сд(^з.хран

—

Kiop)- (5.1)

О Как мы уже отмечали на с. 246, после изменения напряжения на управ-

ляющем электроде МОП-конденсатора изменение заряда неосновных носите-

лей в потенциальной яме происходит достаточно медленно. Это позволяет, ра-

ботая в динамическом режиме, использовать эту особенность для временного

хранения информации в виде зарядов в потенциальных ямах.

314 Гл. 5.

Приборы

зарядовой

связью

7 Ьл Г\ .

s,o

*f Г^ Г

Рис. 5.2. Поперечное сечение регистра сдвига на ПЗС и потенциалы на его

управляющих электродах в режиме хранения (а) и последовательность управ-

ляющих импульсов на тактовых шинах (б)

Эта величина обычно составляет (0,3-1,6) • Ю

-6

Кл/см

и огра-

ничена сверху напряженностью электрического поля, при кото-

ром возникает пробой диэлектрика (характерная толщина окисла

в ПЗС составляет 1000 А).

Максимальное время хранения в ПЗС определяется как вре-

мя, за которое неосновные носители, возникающие в резуль-

тате тепловой генерации в полупроводнике, заполняют пустую

потенциальную яму, находящуюся в режиме хранения. Зна-

чение соответствующего «темнового тока» определяется двумя

величинами: плотностью поверхностных состояний на границе

полупроводник-диэлектрик и концентрацией глубоких уровней в

полупроводнике. В частности, в кремниевых ПЗС большую роль

играет ток генерации, создаваемый глубокими уровнями приме-

си золота (остаточная концентрация которого может составлять

-10

см

-3

), которые находятся в области изгиба зон. Для

уменьшения темнового тока проводится геттерирование золота

фосфором (см. с. 223), В кремнии максимальное время хранения

составляет 1-10 с при 300 К.

Эффективность переноса в ПЗС. Очень важным парамет-

ром, характеризующим искажение сигнала при работе ПЗС, яв-

ляется эффективность переноса г}. Эта величина определяется

как доля заряда, переносимая из одной ямы в соседнюю за

одну операцию переноса; типичные значения гу лежат в преде-

лах 0,99-0,999999. В качестве альтернативного параметра, опи-

сывающего эффективность переноса, часто используют величи-

ну неэффективности (потерь) переноса, которая определяется

как (1 —rj). Поскольку цепочки ПЗС обычно состоят из тысяч

последовательно включенных элементов, а полный коэффици-

ент передачи цепочки равен rj

, где N — число элементов

Ф\ <H 93

Гл.

Приборы

зарядовой

связью

315

в цепочке, то становится понятным стремление разработчиков

сделать величину г) как можно более близкой к единице. Ес-

ли это будет не так, то при использовании ПЗС, например,

в качестве запоминающето устройства ЭВМ «потеря контраста»

между пакетами, отвечающими логическим 1, и пакетами, отве-

чающими логическим 0, может приводить к сбою в работе этих

устройств.

Детальные исследования кремниевых ПЗС показали, что су-

ществует три механизма потерь переноса. Кроме возможной

неполноты переноса заряда из одной ямы в другую (этот меха-

низм потерь особенно характерен для схем пожарных цепочек

в интегральном исполнении), существуют еще два механизма по-

терь, которые связаны с захватом электронов из ям на поверх-

ностные состояния на границе раздела Si—S1O2. Первый из этих

механизмов связан с захватом электронов на медленные поверх-

ностные состояния, которые характеризуются низким темпом

выброса (см. с. 183); существование таких ловушек проявляется

в особенно быстрой потере заряда в первом заполненном пакете,

следующем за большой группой пустых пакетов. Второй меха-

низм связан с захватом электронов на быстрые поверхностные

состояния, которые характеризуются высоким темпом выброса;

при этом часть захваченных носителей успевает вернуться в ис-

ходный зарядовый пакет за время переключения управляющего

сигнала, а остальные носители попадают в следующий зарядовый

пакет. Для механизмов, связанных с неполным переносом и

захватом носителей на быстрые поверхностные состояния, ха-

рактерно то, что суммарный заряд в пакетах не изменяется,

а искажение сигнала проявляется в уменьшении «контраста»

между соседними заполненными и пустыми пакетами по мере их

продвижения в ПЗС.

Для уменьшения потерь переноса важно правильно выбрать

значение минимального напряжения на управляющем электроде

на рис. 5.26). Это значение должно быть таким, чтобы не

подпускать дырки к границе раздела Si—S1O2 и тем самым пре-

пятствовать их рекомбинации с захваченными на поверхностные

состояния электронами. Обычно напряжение V

выбирается так,

чтобы на поверхности полупроводника реализовывался режим

обеднения или слабой инверсии.

К сожалению, величина потерь, связанных с захватом элек-

тронов на медленные поверхностные состояния в описанных

выше ПЗС с поверхностным каналом, довольно велика и со-

ставляет 0,2-0,3%. Для борьбы с этими потерями в «нулевые»

зарядовые пакеты часто вводят так называемый фоновый заряд

316

Гл.

Приборы

с зарядовой связью

(порядка 10% от максимального заряда в яме). Этот заряд обес-

печивает практически стационарное заполнение поверхностных

состояний электронами и существенно ослабляет связанные с

ними потери (до 0,01% [52]). Однако полностью избавиться от

этих потерь невозможно, поскольку они начинают определяться

краевыми эффектами, то есть тем, что площадь, занимаемая за-

рядовым пакетом, зависит от величины заряда. Краевые эффекты

могут быть вызваны изменением размеров ямы как в поперечном

(перпендикулярным направлению переноса), так и в продольном

направлении. Из этого, в частности, следует, что для уменьше-

ния потерь управляющие электроды должны следовать друг за

другом без зазоров, а ширина канала в поперечном направлении

должна быть достаточно большой.

В неэффективности переноса можно выделить статическую

и динамическую компоненты. Статическая компонента в ос-

новном связана с обсуждавшимся выше захватом носителей из

ямы на поверхностные состояния на границе полупроводник-

диэлектрик. Эта компонента потерь существенно зависит от

плотности поверхностных состояний.

Динамическая компонента связана с конечным временем

перетекания носителей из одной ямы з другую. Если расстоя-

ние между электродами равно L, то постоянная времени про-

цесса диффузионного переноса зарядового пакета составляет

/-n

, где D

— коэффициент диффузии электронов [212].

Для структуры с L — 3 мкм это время равно «1 не. На самом

деле перенос заряда между ямами протекает еще быстрее.

На начальном этапе переноса движение носителей проис-

ходит за счет так называемого самоиндуцированного дрейфа,

связанного с электростатическим отталкиванием носителей, ло-

кализованных в потенциальной яме. После этого быстрого на-

чального этапа уменьшение концентрации носителей происходит

по экспоненциальному закону с указанной выше постоянной

времени, а на заключительном этапе процесс вновь ускоряется

за счет дрейфа носителей в краевом поле, возникающем в полу-

проводнике при подаче на два соседних электрода разных управ-

ляющих потенциалов. Напряженность этого поля в оптимально

спроектированной структуре может достигать 2 • 10

В/см.

ПЗС с объемным каналом. Чтобы исключить высокие по-

тери переноса, связанные с поверхностными состояниями, Бойл

и Смит предложили конструкцию ПЗС с объемным (скры-

тым) каналом [215]. Особенностью этой конструкции ПЗС

(см. рис. 5.3 а) является то, что между слоем диэлектрика

Гл. 5.

Приборы

зарядовой

связью

317

и подложкой р-типа создается дополнительный слой п-типа

проводимости толщиной несколько мкм

). Если на этот слой

подать обратное смещение относительно подложки, то в

структуре возникнет распределение потенциала, показанное на

рис. 5.36 (при пустой потенциальной яме) или на рис. 5.3 в

(при заполненной электрона-

ми яме). Как и в ПЗС

с поверхностным каналом,

глубиной потенциальной ямы

в этой конструкции можно

управлять, меняя напряже-

ние на управляющем электро-

де. Важно, что в этом ПЗС

электроны движутся в ка-

нале, расположенном в объ-

еме структуры, и поэтому

они практически не взаимо-

действуют с поверхностны-

ми состояниями на грани-

це Si-Si02. Это существенно

уменьшает статическую ком-

поненту потерь заряда, свя-

занную с этими состояния-

ми. Кроме того, для ПЗС

с объемным каналом харак-

терны более высокие крае-

вые поля и более высокая

подвижность носителей в ка-

нале (электроны не испытывают рассеяния на границе Si—S1O2),

что заметно увеличивает скорость переноса заряда из одной ямы

в другую. Благодаря этому ПЗС с объемным каналом харак-

теризуются более высоким быстродействием и более низкими

потерями по сравнению с приборами с поверхностным каналом

(в одном из ПЗС с объемным каналом частота переноса достига-

ла 720 МГц при величине потерь 0,001 % [52]).

Недостатком структур с объемным каналом является умень-

шение величины максимальной плотности заряда |?n

max

, ко-

торую можно удержать в яме при заданном напряжении на

управляющем электроде. Расчеты показывают, что для одно-

родно легированного дополнительного n-слоя толщиной dn эта

) Толщина и уровень легирования n-слоя выбираются так, чтобы в рабочем

режиме этот слой был полностью обеднен электронами.

Рис. 5.3. Устройство ПЗС с объемным

каналом (а), его энергетическая диа-

грамма в случае пустой ямы (б), его

энергетическая диаграмма в присут-

ствии сигнального заряда (14] (в)

318

Гл.

Приборы

с зарядовой связью

величина уменьшается в 1 + £

/(2ed

) раз [212]. Правильно

выбрав параметры структуры, в ПЗС с объемным каналом можно

сохранить достаточно высокую величину |gn

Интересно, что конструк-

ция ПЗС с объемным каналом

позволяет в принципе обой-

тись и без слоя диэлектри-

ка, если использовать в каче-

стве управляющих электродов

поверхностные р-п-переходы

или барьеры Шоттки. Это не

только упрощает технологию

создания ПЗС-структур, но

позволяет достигнуть большей

скорости переноса и лучшей

стабильности, а также умень-

шить амплитуду управляющих

импульсов до ~2 В, что важ-

но для уменьшения мощности

потребления.

Возможность создания

ПЗС без окисного слоя важна

и для создания этих приборов

из полупроводников, отлич-

ных от кремния, для которых

задача получения высоко-

качественного собственного

окисла часто оказывается не-

выполнимой. Основная труд-

ность при создании структур

с управляющими электродами на основе барьеров Шоттки

состоит в получении узких зазоров между электродами.

ПЗС с двухтактным управлением. Сложность электриче-

ской разводки тактовых шин в схемах с трехфазным управ-

лением поставила задачу разработки таких конструкций яче-

ек, которые могли бы управляться с помощью двух тактовых

шин. Понятно, что для направленного переноса зарядов в ПЗС

энергетическая диаграмма таких ячеек должна быть асиммет-

рична. Существует несколько конструкций ячеек, допускающих

двухтактное управление (см. рис. 5,4). Для создания необходи-

мого асимметричного потенциального рельефа в них использу-

ются слои окисла различной толщины, а для дополнительного

Ф i

+++•+

. - "I ^Ч^ }

„

ЧШг

Рис. 5.4. Методы построения ПЗС

с двухтактным управлением. Во всех

трех конструкциях используется слой

окисла переменной толщины (1000 и

4000 А), а в конструкции в с помо-

щью ионного легирования созданы до-

полнительные потенциальные барье-

ры [212]

Гл.

Приборы

зарядовой

связью

319

изменения потенциального рельефа в них может быть применено

избирательное легирование приповерхностного слоя полупровод-

ника с помощью ионной имплантации (см. области, помеченные

крестиками на рис. 5.4в).

Альтернативный вариант конструкции приборов с зарядовой

связью с двухтактным управлением основан на использовании

описанной в начале главы идеи пожарных цепочек. При создании

этих цепочек в интегральном исполнении (см. рис. 5.5) с по-

мощью диффузии или ионной имплантации в полупроводнике

Ф\ о

ВХОД

Рис. 5.5. ПЗС с двухтактным управлением, использующий идею «пожарной

цепочки» [52]

создаются неглубокие р-п-переходы, над которыми на окислен-

ной поверхности кремния асимметрично располагаются управ-

ляющие электроды. При подаче импульса напряжения на одну

из тактовых шин одновременно происходит открывание каждого

второго полевого транзистора и увеличение глубины потенциаль-

ных ям под протяженными участками управляющих электродов,

на которые подано напряжение. Это и вызывает перемещение

зарядовых пакетов из более мелких в соседние более глубокие

потенциальные ямы.

Ввод и вывод информации в ПЗС. Ввод и вывод информа-

ции в ПЗС можно осуществить несколькими способами. Считы-

вание информации на выходе ПЗС обычно производится элек-

трическим способом, а ввод информации — либо электрическим,

либо оптическим способом.

На рис. 5.6 показана схема задержки аналогового сигнала,

построенная на основе ПЗС, в которой ввод и вывод информации

осуществляется электрическим способом. Для этой цели в ней

используются входной диод ID и выходной диод OD. Изменяя ток

прямо смещенного входного диода, инжектирующего неосновные

носители, можно управлять величиной заряда, который попадает

в зарядовый пакет, формируемый под управляющим электро-

дом фj. Далее эти пакеты перемещаются вдоль поверхности

320

Гл.

Приборы

с зарядовой связью

полупроводника с помощью системы управляющих электродов

02» Фз)>

затем вновь преобразуются в аналоговый сигнал

(импульсы тока) с помощью выходного диода OD, на который

подано обратное смещение. Для корректного определения вели-

чины заряда в зарядовом пакете эти импульсы тока интегрируют

с помощью специальной схемы зарядочувствительного усилителя

на МОП-транзисторе, который создают при изготовлении ПЗС

рядом с выходным диодом. Очень низкая емкость этой схемы

обеспечивает существенное снижение уровня шума узла считы-

вания 0.

ID IG Ф\

Фъ

Фг OG OD

входной

диод

входной

затвор

Ф\

J1 JRZRJP

выходной

затвор

выходной

диод

Рис. 5.6. Устройство (а) и топология (б) схемы задержки аналогового сигнала.

созданной на основе ПЗС с каналом п-типа [14]

К сожалению, способ ввода информации с помощью моду-

ляции тока входного диода характеризуется невысокой линейно-

стью и достаточно высоким уровнем шума. Поэтому был предло-

жен целый ряд модификаций схемы входного узла. Эти вопросы

детально рассмотрены в книге [212] и здесь мы лишь укажем

на другой режим работы описанного входного узла, в котором

управление величиной заряда в зарядовых пакетах осуществля-

ется не модуляцией тока диода ID, а изменением потенциала на

') В ПЗС с объемным каналом шум узла считывания является основным

источником шума приборов с зарядовой связью.

Гл.

Приборы

зарядовой

связью

321

входном затворе IG (см. рис. 5.6) при фиксированной величине

тока, протекающего через входной диод.

Описанный выше способ считывания информации с помощью

обратно смещенного р-п-перехода обладает одним существен-

ным недостатком: он является разрушающим, то есть после со-

бирания заряда р-п-переходом зарядовый пакет исчезает. В то

же время при построении сложных схем обработки сигналов

желательно использовать такой способ измерения сигнального

заряда, при котором сам зарядовый пакет оставался бы неизмен-

ным {неразрутающий метод считывания). Осуществить это

можно введением в структуру ПЗС «плавающего затвора» (см.

рис. 5.7). Проходящий под плавающим затвором зарядовый пакет

наводит на нем потенциал, пропорциональный величине заряда.

Плавающий затвор подключен к затвору расположенного рядом

МОП-транзистора, на выходе которого и формируется импульс

напряжения, пропорциональный величине сигнального заряда.

Приемники изображения на ПЗС. Ввод информации в при-

борах с зарядовой связью можно осуществлять не только

электрическим способом, но и с помощью света. Последняя

возможность оказывается особенно интересной и может быть

использована для построения целого класса фоточувствитель-

ных приборов на ПЗС — приемников изображения [216, 217].

Работа этих приборов основана на том, что возбуждаемые

при поглощении света электронно-дырочные пары разделяются

электрическим полем области пространственного заряда МОП-

конденсатора, причем неосновные носители затягиваются в по-

тенциальные ямы, где за время экспозиции накапливается заряд,

точно пропорциональный интенсивности света, падающего на

данный участок поверхности полупроводника.

По способу ввода информации в приемники изображения их

подразделяют на одномерные (линейные) и двумерные. Одно-

мерные приемники более просты: они представляют собой ли-

нейку ПЗС, на которую проецируется изображение, механически

сканируемое в направлении, перпендикулярном линейке. Такие

приемники находят широкое применение в сканерах и аппаратах

факсимильной связи.

Число фоточувствительных элементов в линейке зависит от

области применения. Так, в современных сканерах их число

находится в пределах 5-20 тысяч, хотя в некоторых сканерах

число элементов может превышать 100 тысяч. Для обработки

цветных изображений в сканерах используется блок из трех

11 А.И. Лебедев