Напівпровідникові прилади із зарядовим зв ’ язком

 

Напівпровідникові прилади із зарядовим зв’язком (ПЗЗ) – це прилади, які мають багато близько розміщених та ізольованих від підкладки затворів (МДН-структур), під якими може відбуватися перенесення до стоку інформаційних пакетів неосновних носіїв заряду, інжектованих з витоку або утворених у підкладці внаслідок поглинання оптичного випромінювання.

Принцип роботи ПЗЗ зручно розглянути на прикладі тритактної схеми зсувного регістра (рис. 12,а), яку можна подати як структуру МДН-транзистора з багатьма затворами. Цей прилад складається з трьох секцій.

Перша секція – вхідна. Вона включає в себе витік з p ⁺-областю під ним та вхідний затвор, який виконує роль ключа для управління рухом дірок з дифузійної p ⁺-області витоку в першу потенціальну яму.

Друга секція - секція переносу. Вона складається з ряду затворів, які керують потенціалом на границі кремній-окисел кремнію. Ці затвори з’єднані між собою через два. Напруги на затворах секції переносу мають вигляд імпульсів різної амплітуди, які змінюють один одного циклічною перестановкою. При такій зміні напруг на затворах потенціальні ями переміщаються до виходу приладу, захоплюючи за собою пакети носіїв заряду – дірок.

Третя секція – вихідна. Вона включає в себе p - n-перехід стоку. Цей перехід зміщений у зворотному напрямі і призначений для екстракції дірок із потенціальних ям, які наближаються до нього.

Нехай на початку роботи на вхідний затвор подано напругу U_вх, достатню для утворення провідного каналу в підкладці під цим затвором (|U_вх|>|U_пор|). Якщо при цьому на першому затворі (З₁) присутня достатньо велика від’ємна напруга, тобто під першим затвором секції переносу існує глибока потенціальна яма для дірок, то дірки будуть виходити з витоку, проходити по каналу під вхідним затвором і нагромаджуватися в потенціальній ямі під першим затвором секції переносу (рис. 12, б).

Напруга на вхідному затворі U_вх знімається до початку наступного такту зміни напруг на затворах секції переносу. Тому провідний канал під вхідним затвором зникає. Так відбувається запис інформації (в даному випадку - логічної одиниці ("1")), який відображає деякий заряд дірок Q_"1", нагромаджених в потенціальній ямі під першим затвором в результаті інжекції з витоку. Якщо ж потрібно записати інформацію, що відповідає логічному нулю, то на вхідний затвор не повинна подаватися від’ємна напруга. В цьому випадку не буде інжекції дірок з р⁺-області витоку в потенціальну яму під першим затвором, і в ній може виявитися лише відносно невеликий заряд дірок Q_"0", обумовлений або тепловою генерацією носіїв заряду, або неповним спустошенням потенціальної ями на попередніх тактах роботи приладу.

Після зміни напруг на затворах секції переносу найбільш від’ємна напруга буде на другому затворі, тому пакет дірок переміститься в потенціальну яму під другим затвором секції переносу (рис. 12,в). При наступному такті зміни напруг на затворах секції переносу відбудеться досягнення пакетом дірок вихідної секції та зчитування логічної одиниці (рис. 12,г).

Якщо ж в потенціальних ямах, що підходять до p-n- переходу стоку, немає носіїв заряду – дірок (рис. 12,д) , то не буде й зміни струму в колі стоку, що відповідатиме запису логічного нуля. Імпульс струму та зміна напруги в колі стоку виникають лише в тому випадку, коли до p-n-переходу стоку наближається потенціальна яма з дірками, які внаслідок екстракції переходять в область стоку.

  

Рис. 12. Структура тритактного ПЗЗ (а) та діаграми його роботи (б - д)

 

Прилади із зарядовим зв’язком є типово динамічними пристроями, а тому мають нижню і верхню границі тактової частоти імпульсів напруги, які керують роботою секції переносу.

Нижня границя тактової частоти (одиниці - десятки кілогерц) визначається тим, що між потенціальною ямою біля поверхні та рештою об’єму напівпровідника протікають струми, обумовлені тепловою генерацією носіїв заряду. Ці струми впливають на рівень логічного нуля, підвищуючи заряд дірок в пустих потенціальних ямах.

Верхня границя тактової частоти (десятки мегагерц) визначається часом перетікання заряду з одної потенціальної ями в іншу.

В діапазоні робочих частот, далеких від граничних, в ПЗЗ також не відбувається повної передачі інформаційного заряду з одної потенціальної ями в іншу. Це пояснюється явищем захоплення носіїв заряду поверхневими енергетичними рівнями. В результаті, по-перше, зменшується загальний заряд пакету дірок, який передається, тобто знижується рівень логічної одиниці. По-друге, захоплені поверхневими енергетичними рівнями носії заряду можуть через деякий час звільнитися і попасти в пусті потенціальні ями, спотворивши тим самим рівень логічного нуля.

Для оцінки розглянутого ефекту захоплення носіїв у ПЗЗ використовують такий параметр, як ефективність передачі заряду

,                                                  (6)

який показує, яка частина заряду переноситься з  і-ої  потенціальної  ями в (і+1)-шу. Оскільки значення η близьке до 1, то зручніше користуватися іншим параметром – коефіцієнтом втрат К_втр=1-η. Якісні ПЗЗ мають К_втр≤10^-4.

Напівпровідникові прилади із зарядним зв’язком використовуються в запам’ятовувальних пристроях електронно-обчислювальних машин, пристроях перетворення зображення в електричні сигнали та пристроях обробки аналогової інформації.

Список літератури

 

1. Бобало Ю. Я.,  Желяк Р. І., Кіселичник М. Д., Мандзій Б. А., Якубенко В. М. Основи радіоелектроніки. Навчальний посібник /За ред. Б. А. Мандзія. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2002.

2.Васильєва Л. Д., Медведенко Б. І., Якименко Ю. І. Напівпровідникові прилади: Підручник. К.: ІВЦ “Видавництво “Політехніка”, 2003.

3. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1987.

Навчальне видання

Польові транзистори

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: