Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью

Динамику перемещения зарядовых пакетов в ПЗС проследим на примере трехкратного сдвигового регистра (рис.2).

В этой схеме каждый третий электрод подключается к соответствующей шине тактовых импульсов. В исходном состоянии (рис.2, а) под напряжением хранения

Рис.2. Схема трехтактного сдвигового регистра на ПЗС:

а - хранение информации в элементах 1. 4. 7; б – передача информации; в - хранение информации в элементах 2. 5, 8.

Uхр. =-U2 находятся электроды 1, 4, 7, а все остальные — под напряжением – U1 (U1< U2); подложка заземлена. Напряжение U1 выбирается немного большим порогового напряжения U0 (величина U0 для МДП-структуры определяется как минимальное напряжение на затворе, при котором наступает инверсия поверхности полупроводника) для того, чтобы вся ^поверхность полупроводника была обеднена и на поверхностных состояниях отсутствовали электроны. Допустим, что в потенциальных ямах 1, 7 есть зарядовые пакеты, а в 4 их нет. На следующем такте к электродам 2, 5, 8 прикладывается напряжение записи Uзап. = -U3(U3> U2) и заряды перетекают от ПЗС1 (строго говоря, в данном случае следует использовать термин «ПЗС-элемент» или «МДП-структура», так как речь идет об одном элементе прибора с зарядовой связью. Однако для сокращения здесь и в дальнейшем (если из контекста ясно, что речь идет об элементе) используется термин «ПЗС», а слово «элемент» опускается.) к ПЗС2 и от ПЗС7 к ПЗС8 (рис.2, б).

 

Рис. 3. Зонная диаграмма для ПЗС-элемента в режиме хранения информации: а - в первый момент после включения; б - в стационарном состоянии; 1 - металл; 2- диэлектрик; 3- обедненная область; 4- нейтральная область полупроводника.

На следующем такте на электродах устанавливаются напряжения в соответствии с рис.2, в и начинается фаза хранения зарядовой информации в элементах 2, 5, 8.

Таким образом, для ПЗС характерны два режима работы: хранение и передача зарядовых пакетов. В режиме хранения ПЗС эквивалентен МДП-емкости. Зонная диаграмма поверхности полупроводника для режима хранения приведена на рис.3, а. Величина поверхностного потенциала, характеризующая изгиб зон и глубину потенциальной ямы, в начальный момент максимальна. При инжекции пакета дырок их положительный заряд экранирует подложку от поля, в результате чего происходит перераспределение внешнего напряжения: увеличивается часть напряжения, падающего на слое диэлектрика, поверхностный потенциал уменьшается (по абсолютной величине), и обедненная область сужается. С течением времени потенциальная яма заполняется до насыщения термогенерируемыми дырками и у поверхности образуется стационарный инверсный слой (рис.3, б). Величина поверхностного потенциала уменьшается (по абсолютной величине) до потенциала инверсии поверхности полупроводника φ 0

В нестационарном состоянии поверхностный потенциал φ зависит от напряжения на затворе U3, плотности (на единицу поверхности) заряда дырок Qp и от электрофизических характеристик диэлектрической пленки и подложки:

 

 (1)

 

где U'3 = U3 - UП3 = U3 - Uo - φ 0 + UВ - напряжение плоских зон; - коэффициент подложки; UB = BOC ; Сд = ε дε 0хд - удельная емкость диэлектрика затвора толщиной хд. В (1) и последующих выражениях используются абсолютные значения потенциалов и зарядов, что делает их применимыми для р- и n-канальных ПЗС.

Зависимости φ (QP) для разные значений напряжений затвора приведены на рис.4.

При увеличении заряда дырок Qp от нуля до стационарного значения поверхностный потенциал уменьшается по абсолютной величине до потенциала инверсии φ 0. Из графиков рис.4 видно, что зависимости φ (QP) практически линейны. Аппроксимированное выражение для φ имеет вид:

φ =(U'3-QP/Cд)(1+x), (2)

 

где х=0, 1—0, 2 — линеаризованный коэффициент подложки.

Максимальный заряд QPM, который может быть помещен в потенциальную яму при заданном напряжении U3, определяется из (1) при условии насыщения потенциальной ямы, т. е. при φ =φ 0,

 

Рис.4. Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного в потенциальной яме заряда при разных напряжениях затвора:

N _д =5-10¹⁴ см^-3, U_o =3.8 В.

Рис.5. Зависимость Q_PΣ = Q_P + Q_{P пар} от времени хранения для различных значений информационного заряда Q_P . Штриховой линией показаны составляющие заряды, накопленные за счет генерации в обедненной области (1) и на поверхности (2); Q_p =0 (3); Q_p / С_д = 3В (4).

 

QPM = Сд (U3, — U0) (3)

 

Обычно QPM= (1—5) 10-3 пКл/мкм2.

Наглядным представлением потенциальной ямы ПЗС может служить прямоугольный сосуд с жидкостью. Максимальная глубина потенциальной ямы соответствует высоте пустого сосуда; но мере заполнения сосуда жидкостью его эффективная глубина уменьшается. Допустимое время хранения заряда определяется процессами, приводящими к накоплению паразитного заряда QP. В основном это термогенерация электронно-дырочных пар в обедненном слое и на поверхности, а также до некоторой степени диффузия неосновных носителей из объемной нейтральной области.

Расчет показывает, что при малых значениях накапливаемого паразитного заряда QP его зависимость от времени близка к линейной, в дальнейшем кривые становятся сублинейными, приближаясь к постоянному значению QPM, определяемому соотношением (3).

На рис.5 приведены расчетные кривые для U3 = 10 В, Nд=5·1014 см-3, U0=3, 8 В, тепловая скорость υ т=107 см/с, сечение захвата σ v = 2, 2-10-16 см2, плотность объемных центров Nоб=l, 8·1014 см-3, плотность поверхностных центров Nпов=6·1010 см-2. При этих параметрах и при QP = 0 время накопления паразитного заряда, составляющего 1 % от QpM, равно 20 мс (для многоэлементных ПЗС, и в особенности для аналоговых устройств, большее накопление паразитного заряда недопустимо).

Максимальное время хранения можно определить и экспериментально, измерив время релаксации МДП-емкости, сформированной в тех же условиях, что и ПЗС, и включаемой таким же импульсом напряжения. Приближенно время накопления паразитного заряда, равного по величине информационному, на порядок меньше времени релаксации МДП-емкости. Опыт показывает, что в зависимости от качества обработки поверхности кремния и совершенства структуры подложки время релаксации лежит в пределах 1—60 с и соответственно время накопления паразитного заряда составляет 0, 1— 6 с. Задаваясь требуемым соотношением между величинами информационного и паразитного зарядов, нетрудно рассчитать максимальное время хранения информации в ПЗС. При соотношении 100: 1 это время составляет десятки миллисекунд.

Еще раз отметим, что процессы накопления паразитного заряда определяют максимальное время хранения и минимальную частоту работы цифровых и аналоговые устройств на ПЗС, а также темновые токи в фотоприемных ПЗС. Передача заряда из элемента в элемент осуществляется приложением к соседнему электроду большего по амплитуде напряжения записи Uзап (рис.6). В зазоре между электродами (обозначим его длину через l) возникает тянущее поле, под действием которого дырки перетекают в более глубокую потенциальную яму.

 

Рис.6. Схема передачи заряда в ПЗС

 

По мере перетекания зарядов поверхностный потенциал в ПЗС1 увеличивается (по абсолютной величине), а в ПЗС2 уменьшается, в результате чего поле в зазоре уменьшается.

Очевидно, что напряжение записи Uзап должно превышать напряжение хранения Uхр тем значительнее, чем больше расстояние между электродами и чем сильнее легирована кремниевая подложка (рис.7). Из рисунка видно, что практически для работоспособных ПЗС ширина зазора не должна превышать l = 2-3 мкм, a Nд≤ 1015 см-3. Минимальная амплитуда импульса записи Uзап линейно увеличивается при возрастании UXP и QP.

Рассмотрим динамику переноса заряда из одного элемента (ПЗС1) в другой (ПЗС2) (рис.6). В режиме хранения к ПЗС1 приложен потенциал UXP, к ПЗС2 - нулевой потенциал. Заряд дырок плотностью Qp равномерно локализован в ПЗС1. После приложения к ПЗС2 потенциала записи Uзап> Uхр в зазоре между ячейками устанавливается тянущее поле, причем обычно напряженность его столь высока, что дырки, находящиеся вблизи левой границы ПЗС1, практически мгновенно переходят в ПЗС2. Концентрация дырок вблизи правой границы ПЗС2 очень быстро спадает до нуля (т. е. поле зазора действует аналогично полю обратного смещенного коллекторного p-n-перехода в транзисторе). Резкое изменение равномерности распределения дырок в ПЗС1 вызывает их интенсивный дрейф и диффузию внутри потенциальной ямы слева на право. Если положить l< < L и рассматривать одномерный случай, то, как обычно при таких процессах, для времени передачи заряда приближенно должно выполняться: tпер ~ L2/μ pэ (4)

 

Рис.7. Зависимость минимальной амплитуды импульса записи от напряжения хранения (а), длины зазора (б) и концентрации примеси в подложке (в).

 

где L — длина затворов (электродов) ПЗС;

μ рэ—поверхностная эффективная подвижность.

Очевидно, что коэффициент пропорциональности в (4) зависит от того, какой коэффициент эффективности передачи  требуется получить. Обычно для многоэлементных ПЗС этот уровень очень высок и составляет

 = QРППЗС2/ QРП ПЗС1 = 0, 99-0, 9999,

где QPП — полный заряд в одной ячейке.

 

Рис.8. Зависимость нормализованного заряда Q = 1-  времени передачи для приборов с параметрами: L =6 мкм, μ _рэ=180 см²/В·с; численный расчет; _приближенное аналитическое решение.

По мере перетекания заряда из ПЗС1 в ПЗО2 концентрация дырок в ПЗС1, а следовательно, и дрейфовая составляющая тока уменьшаются и процесс передачи, определяемый только диффузией, замедляется -«хвост» переходного процесса всегда более затянут по сравнению с начальной фазой (рис.8). Чем больше начальная плотность заряда Qp, тем большая его часть «вытечет» за время первой быстрой стадии и тем меньше (при заданном допустимом значении ) будет время передачи tпер. Эпюры распределения плотности Заряда дырок в различные моменты времени представлены на рис.9. Через левую границу ПЗС1 потока дырок нет, поэтому на графиках рис.9 в любой момент времени градиент концентрации дырок в этой точке равен нулю.

 

Рис.9. Эпюры распределения Qp ( y ) в различные моменты процесса передачи

Наглядной аналогией процесса передачи заряда является вытекание вязкой жидкости из прямоугольного сосуда, торцевая стенка которого (соответствующая правой границе потенциальной ямы ПЗС) отодвинута так же, как и в ПЗС, чем больше начальный уровень жидкости, тем быстрее выльется заданная ее часть.

Рис.10. Зависимости коэффициента потерь ε ₁ от времени передачи для ПЗС с разной длиной электродов.

 

Для большинства реальных структур ПЗС размеры L и l соизмеримы и очень малы; при этих условиях; становится существенным эффект проникновения краевого поля Еkр (которое мы выше считали полностью сосредоточенным в зазоре) в область ПЗС1, что оказывает определяющее влияние на перетекание оставшейся части зарядового пакета.

Рассмотрим важнейшую характеристику ПЗС — эффективность передачи заряда , представляющую собой часть заряда дырок, перешедшую из ПЗС1 в ПЗС2 за время передачи. При заданном допустимом уменьшении ^зарядового пакета значение  определяет максимальное количество элементов, через которое информация может быть передана без восстановления. Часто оказывается удобнее использовать понятие потери (неэффективности) передачи ε =1— . При конечном времени передачи потери заряда обусловлены, во-первых, тем, что за t=tnep часть заряда ε 1 просто не успевает перетечь в соседнюю ячейку и, во-вторых, захватом части носителей ε 2 поверхностными ловушками. Составляющая ε 1 определяет потери передачи на высоких частотах, ε 2—на низких и средних частотах работы.

Рассмотрим подробнее захват носителей поверхностными ловушками. Если, например, в ПЗС1 поступает информационный пакет, то часть дырок захватывается

границей раздела диэлектрик — полупроводник. На следующем такте зарядовый пакет перетекает в ПЗС2, равновесие между инверсным слоем и поверхностными ловушками нарушается, и они начинают разряжаться. Те носители, которые освобождаются ловушками за t=tnep, успевают вернуться в зарядовый пакет, остальные образуют потери передачи ε 2. Потери ε 2зависят не только от плотности поверхностных ловушек и величины зарядового пакета, но и от характера предшествующей зарядовой информации, передаваемой через данный элемент. Если передается серия логических 1 (которой соответствуют большие зарядовые пакеты), то потери ε 2 будут максимальны в первом зарядовом пакете и будут уменьшаться в последующих, так как часть ловушек, захвативших заряды от первого пакета, не успеет разрядиться к приходу следующего и эти ловушки не будут участвовать в захвате носителей. Наихудшим случаем с точки зрения потерь ε 2 является передача чередующейся последовательности логических 1 и 0. В этом случае выражение для ε 2 имеет вид:

 

 (5)

 

где Nл — плотность поверхностных ловушек; т = 2, 3... — количество управляющих тактов; Сд(U3—U0) — величина зарядового пакета. В типичных структурах ε 2=(2—3) 10-3 и в первом приближении не зависит от тактовой частоты.

Влияние поверхностных состояний может быть уменьшено, если в цепочку ПЗС (в каждый зарядовый пакет) ввести некоторый фоновый заряд, заполняющий поверхностные ловушки. В результате потери информационного заряда при передаче уменьшаются. Неполное устранение влияния ловушек объясняется рядом причин, главными из которых являются краевой эффект и захват носителей не только при хранении, но и во время протекания зарядового пакета через ПЗС и зазор.

Краевой эффект возникает из-за двумерности распределения электрического поля в реальных ПЗС, что делает потенциальные ямы не прямоугольными, а закругленными. Следовательно, площадь поверхности занимаемая пакетом, будет зависеть от величины заряда и всегда будет больше площади, занимаемой меньшим по величине фоновым зарядом. Поэтому поверх постные ловушки, расположенные у краев электрода, где фонового заряда нет, будут пустыми и смогут захватывать носители из зарядного пакета. Потери заряда or этого эффекта составляют (4-5)10-4.

Захват носителей в процессе передачи главным образом связан с тем, что в зазоре фонового заряда нет и поэтому ловушки не заполнены. Обусловленная этим неэффективность составляет (2—3) 10-4. Таким образом, введение фонового заряда не позволяет выполнить условие ε 2→ 0, но в несколько раз уменьшает потери передачи, обусловленные захватом носителей поверхностными ловушками.

В заключение рассмотрим фоточувствительность ПЗС. Одним из факторов, определяющих фоточувствительность, является коэффициент поглощения , который характеризует интенсивность поглощения фотонов (с образованием электронно-дырочных пар). Коэффициент поглощения  резко уменьшается при увеличении длины волны l падающего света. Поэтому область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в информационные заряды (называемая областью спектральной чувствительности) ограничена. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1, 1 мкм. Коротковолновая граница составляет 0, 4—0, 5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое, в котором интенсивно происходит рекомбинация фотогенерируемых носителей.

Если считать, что все возбужденные носители собираются ПЗС, то зарядный пакет Qpn, накапливаемый за время генерации (интегрирования) ta под действием светового потока Нш, может быть рассчитан по следующему приближенному выражению:

 

QPП = qHизθ tи· Aэ, (6)

 

где θ — квантовый выход; Аэ — часть площади элемента, воспринимающая свет. Для ПЗС θ =1, этому соответствует фоточувствительность порядка 500 мкА/лм. Пороговая чувствительность, при которой сигнал превышает шумы примерно в 2 раза, составляет для ПЗС около 10-4 лк·с. Фотоприемное устройство на ПЗС можно освещать со стороны затворов (электродов) или с обратном стоны.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: