ФПЗП9-451 4.94.08
Работа приборов этого типа основана на хранении заряда неосновных носителей обеднения, то после записи заряд в ПЗСтоже и в потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника в результате режима по перемещению заряда вдоль поверхности при сдвиге потенциальных ям.
Структура прибора с зарядовой связью (ПЗС)представлена на рис. 1. На поверхности полупроводника n-типа созданы области с тонким слоем окисла1000 мкм, на которые наносят металлические электроды (затворы). При приложении отрицательного напряжения к затвору под ним в полупроводнике образуется область обеднения, которая является потенциальной ямой для неосновных носителей – дырок. Заряд неосновных носителей, инжектируемый в потенциальную яму, может некоторое время храниться в ней. Наличие заряда соответствует логической единице, отсутствие – нулю. Работа ПЗСхарактеризуется режимом хранения и режимом передачи информации.
В режиме хранения информацииэлемент с зарядовой связью работает как МДП-конденсатор. В первый момент после приложения напряжения к затвору под ним образуется область обеднения определенной глубины . Заряд дырок равен нулю. Энергетическая диаграмма ПЗСпредставлена на рис 2.
Все приложенное напряжение распределяется между окислом и областью обеднения. Если в область обеднения попадают неосновные носители - дырки, то они локализуются в потенциальной яме, образуют инверсионный слой, и ширина области обеднения уменьшается. В этом случае большое напряжение будет приложено к окислу, что отражено на энергетической диаграмме. Для инжекции заряда в потенциальную яму применяется освещение, способствующее генерации пар электрон - дырка, и инжекция заряда через p-n-переход. Для режима хранения характерны ограничения, связанные с образованием неосновных носителей в области обеднения за счет термогенерации и за счет попадания в область объемного заряда дырок из объема. Таким образом, наряду с инжектированным информативным зарядом в области обеднения накапливается паразитный заряд. Поэтому основное ограничение в ПЗСсостоит в том, чтобы паразитный заряд за время хранения был меньше информационного. Для п-кремния время накопления составляет около 10²с, поэтому частота работы ПЗСдолжна быть 10 ... 100 кГц. Максимальная частота определяется временем передачи информации от одного ПЗСк другому, а минимальная - временем жизни неосновных носителей.
Режим передачи информацииосуществляется следующим образом: допустим, что в ПЗСлокализован заряд дырок Qp и потенциал на затворе Uxp.
Если на затвор ПЗС2 подать потенциал записи Uзап, то в полупроводнике
между затворами ПЗС1 и ПЗС2образуется электрическое поле. Под действием поля и диффузии дырки будут перемещаться в потенциальную яму ПЗС2. Если в ПЗС1 заряда не было, то после записи заряд вПЗС2 тоже будет отсутствовать. Для полного перехода заряда изПЗС1 в ПЗС2необходимо, чтобы в области а между приборами все время существовало тянущее поле.
В режиме передачи сигнала важным параметром ПЗСявляется эффективность перехода заряда.
Обычно Кперех = 0,97 + 0,999, так как некоторая часть заряда теряется при передаче информации от одного ПЗС к другому. Потери заряда объясняются наличием потенциальных барьеров между потенциальными ямами при достаточно широких зазорах между затворами МДП-конденсаторов. В этом случае часть заряда, соответствующая высоте барьера, остается в первом ПЗСи рекомбинирует в окрестностях потенциальной ямы при снятии импульса напряжения. Второй причиной потери заряда является то, что часть заряда захватывается поверхностными состояниями на границе раздела диэлектрик-полупроводник. Некоторые поверхностные состояния, у которых время эмиссии носителей t = 1/f (f - частота питающего импульсного напряжения), могут отдавать захваченный из одного зарядового пакета заряд в последующие, при этом заряд распределяется по цепочке ПЗС. Поэтому требования к совершенству границы раздела для ПЗСболее высокие, чем для МДП-транзисторов.
Для уменьшения роли поверхностных состояний используется перенос заряда с «непустым нулем». При этом наряду с пакетом заряда, несущим информацию, переносится некоторый постоянный по величине заряд, который должен заполнить поверхностные состояния. Это позволяет уменьшить потери заряда на два порядка.
Частота, с которой в настоящее время функционируют ПЗС, порядка 10 МГц. Физическая граница быстродействия ПЗСимеет порядок единиц гигагерц. Быстродействие элементов определяется длиной затворов и расстоянием между ними.
Одним из конструктивных достоинств П3Сявляется отсутствие диффузионных областей и поэтому возможен более высокий уровень интеграции (до 10 бит/см² в структурах с кремниевыми затворами).Одним из примеров ИС, выполненных на ПЗС,является трехактная схема сдвигового регистра . Вэтой схеме каждый третий электрод связан с общим проводником .Затворы 7, 4, 7 находятся под потенциалом хранения и Uxp . В ПЗС1 и ПЗС 7 локализованы заряды дырок, вес остальные затворы находятся под потенциалом U1, близким к пороговому напряжению Uп. Если па электроды 2, 5, 8 поступает импульс записи Uзап, то его информация переходит в ячейки 2, 5,
8. Втретьем такте на электродах 2, 5, 8устанавливается потенциал хранения, а на всех остальных - U1, т. е. за три такта перезаписывается информация из ячеек 1, 4, 7 в ячейки 2,5,8.
В трехактном сдвиговом регистре для хранения и передачи одного бита информации необходимо иметь три прибора ПЗС. Следующая единица информации может поступить на ПЗС1только после того, как предыдущая информация поступи! в ПЗС3, иначе возможно обратное движение информации. При использовании разной толщины окислов под электродами можно создать при приложении напряжения асимметричную потенциальную яму, а на основе этого - двухтактный сдвиговый регистр.
Литература:
Никулин Н.В. Радиоматериалы и радио компоненты. – М.: Высшая школа, 1989, с. 205 – 241.