Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью (пзс)



1. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом

Полевыми называют транзисторы с управляемым каналом для тока основных носителей заряда (с n- и p- каналом представлены на рис. 1). Эти транзисторы называются униполярными, т.к. в них ток переносится за счет дрейфа лишь основных носителей. ПТ делят на транзисторы с затвором в виде управляющего р-n перехода или барьера Шотки и транзисторы с изолированным затвором (МОП или МДП транзисторы). Рассмотрим транзисторы с затвором в виде управляющего р-n-перехода предложенным в 1952 г. Вильямом Шокли и названным унитроном.

Рис. 1

В кристалле n-типа формируются области р-типа, которые образуют р-n-переходы. В центральной части кристалла под р-n переходами образуется канал, размеры которого можно изменять величиной потенциала на управляющем электроде - затворе (З), к торцам пластины припаяны омические контакты. Один из этих электродов называется истоком (И), а другой - стоком (С). Между истоком и стоком приложено напряжение Е_с. Прибор управляется обратным напряжением, приложенным к р-n-переходу. (Следует отметить, что такая структура (с двумя переходами) в настоящее время не используется, так как ее трудно реализовать на практике. Однако она удобна для анализа, причем результаты анализа легко применить к современным типам приборов с одним переходом).

Конструкции полевых транзисторов разрабатываются с наименьшим возможным поперечным сечением канала (см. рис. 2, б), чтобы получить более сильную модуляцию. Для этого затвор выполняют в виде кольца. Кроме того, для увеличения глубины модуляции площади поперечного сечения канала и его сопротивления исходный полупроводниковый материал должен обладать малой концентрацией примеси (при этом обратное смещение на переходе будет вызывать значительное расширение р-n-перехода в сторону канала, как в высокоомную область).

а б

Рис. 2

С увеличением обратного напряжения на затворе ширина р-n-переходов увеличивается, сечение канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток I_с.

При большом отрицательном смещении U_зо р-n-переходы перекрывают канал и транзистор будет «запираться».

Понятно, что, меняя напряжение на затворе U_зи в пределах до U_зо, можно изменять сопротивление канала R_к при этом будет происходить управление током стока I_с, который определяется как

где r_и, r_с - сопротивление объема полупроводника, прилегающего к истоку и стоку.

Можно показать, что величина R_к будет определяться через значения ширины канала , удельное сопротивление _n, толщина обедненного слоя ?

Рассмотрим основные характеристики ПТ стоко-затворную и стоковую (выходную).

Вдоль канала происходит падение напряжения, обусловленное прохождением тока между истоком и стоком. В результате разность потенциалов между р- и n- областями полупроводникового кристалла в разных точках р-n-перехода вдоль канала различна. Поэтому канал по мере приближения к стоку сужается (рис. 2) последовательно принимая положение 1, 2,3 с ростом U_зи либо U_си.

В наиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно U_з + U_с. С ростом U_c это напряжение, в конце концов, делается равным напряжению отсечки U_зо и переходы почти смываются (случай 3). Однако это не приводит к отсечке тока при U_зи > U_зо, так как само «смыкание» является следствием увеличения тока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала (насыщение ВАХ). При этом на кривой I_c = f(U_c), начиная с некоторой точки Н, получается практически горизонтальный участок (рис. 3).

Такой режим, по аналогии с вакуумными приборами, можно назвать насыщением, а напряжение U_сн, при котором он наступает - напряжением насыщения.

Несложно показать, что с ростом , величина U_сн уменьшается (т.к. U_сн= U_зо U_з). Причем в этом режиме ширина канала вблизи стока становится порядка длины Дебая.

В режиме насыщения, когда U_с > U_сн, потенциал «горловины» канала сохраняет значение U_си (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горловина» становится более протяженной и сдвигается в сторону истока.

Рис. 3

При достижении режима насыщения рост U_зи приводит к экспоненциальному уменьшению концентрации носителей в канале и одновременно к увеличению скорости носителей до тех пор, пока скорость оставшихся носителей не достигнет дрейфовой скорости насыщения v_s (см. диод Ганна, т.к. ток определяется j=env, а n снижается с ростом v, то j = const).

Разность потенциалов U_с U_сн падает на участке между стоком и «началом горловины» со стороны истока, а протяженность этого участка определяется как

.

Таким образом, в режиме насыщения происходит модуляция длины канала (по аналогии с эффектом Эрли в биполярных транзисторах - зависимость (U_к)).

Аналитическое выражение для ВАХ полевого транзистора (рис. 2) (начальные участки выходных характеристик близки к линейным) на крутом участке (область нарастания тока)

на пологом участке (область насыщения) или в активной области

,

где R_{к мин} - сопротивление канала при U_зи=0.

Область насыщения является основной рабочей областью, т.к. ток стока эффективно управляется напряжением на затворе U_з и не зависит от U_с. По этой причине в качестве характеристики передачи рассматривают обычно зависимость тока насыщения от напряжения на затворе I_сн = f(U_зи) при U_сн = const, которая имеет вид рис.4,а.

а б

Рис. 4

Семейство статических характеристик передачи при различных значениях U_с имеет вид рис. 4, б.

В случае р-канала входные и выходные ВАХ ПТ принимают соответственно вид рис. 5.

Рис. 5

На основании принципа действия можно составить эквивалентную схему полевого транзистора для низких частот.

Она будет состоять из объемных сопротивлений кристалла полупроводника стока r_с и истока r_и, величины которых будут определяться конструкцией и технологией прибора. Большого по величине дифференциального сопротивления канала R_к общего для входной и выходной цепей сопротивления истока r_и, которое играет роль сопротивления внутренней обратной связи в транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Емкостей С_зи, С_зс и сопротивления r_зи, r_зс, которые замещают в эквивалентной схеме р-n-переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Генераторы тока, включенного параллельно сопротивлению канала, отражающего усилительные свойства транзистора рис. 6.

Рис. 6



Необходимо отметить, что эта схема не учитывает реально распределенного характера отдельных параметров, однако для низких частот она дает достаточно полное представление о функционировании прибора и временном влиянии параметров. Учитывая, что емкость и сопротивление затвора распределены по всей площади, так же как и сопротивление канала, можно представить эквивалентную схему полевого транзистора в виде рис. 7.

Рис. 7

Кроме физических эквивалентных схем можно представить ПТ и формальными эквивалентными схемами на основе описания транзистора с помощью уравнений четырехполюсника с Y, Z или Н параметрами как это выполнено для БТ. При этом считая малыми объемные сопротивления полупроводника r_с, r_и (они равны 10-20 Ом, что на 3-5 порядков меньше r_зи, r_зс) и пренебрегая проводимостями запертого р-n-перехода (мегомы) получаем:

Как и в биполярных транзисторах, значения малосигнальных параметров (Y₁₁ - входная проводимость при кз на выходе; Y₁₂ - проводимость обратной связи при кз на входе; Y₂₁ - проводиморсть прямой передачи при кз на выходе; Y₂₂ - выходная проводимость при кз на входе) зависят от величины питающих прибор напряжений, но позволяют определять свойства таких приборов в значительном частотном диапазоне.

Как мы уже отмечали, принцип действия полевого транзистора не связан с инжекцией неосновных носителей обладающих «низкими» скоростями, это прибор без инжекции. Здесь частотные свойства в отличие от биполярных транзисторов, обусловлены исключительно инерционностью, процессов заряда и разряда барьерных емкостей затвора С_зи,с через распределенные сопротивления R_к, объемные сопротивления кристалла полупроводника r_и, r_с и r_зи, r_зс. По этой причине и сечение канала изменяется не мгновенно, а с какой-то постоянной времени.

На НЧ входное сопротивление определяется величиной r_зи, которое с ростом частоты шунтируется емкостью С_зи, и требует при этом для управления значительно большой мощностью входного сигнала.

Оказывает существенное влияние и проходная емкость С_зс - создающая частотно-зависимую обратную связь. При этом с ростом частоты возрастает обратная связь через цепь r_с С_зо, что эквивалентно снижению полного входного сопротивления полевого транзистора, а следовательно, и уменьшению усиления.

Основными параметрами ПТ следует считать:

Крутизну характеристики (определяет усилительные свойства)

Выходное или внутреннее сопротивление

Входное сопротивление



Напряжение отсечки (U_зи >U_зо) и насыщения U_{си нас}= U_сн.

Входная и проходная емкости С_зи, С_зс (n 1пФ).

Предельная рабочая частота f_s (частота на которой крутизна ).

Коэффициент шума ( 2 дБ на f = 1 кГц).

Допустимая мощность рассеяния (до 5 Вт при f_s=500 МГц).

Основными причинами шума в ПТ являются тепловой шум в канале и индуцированный шум у затвора. Первый из них представляет собой обычный тепловой шум сопротивления проводящей части канала, а второй является следствием первого, поскольку любая флуктуация потенциала канала вызывает флуктуацию напряжения затвора. Следует отметить, что ПТ с каналом р-типа имеет худшие частотные свойства и большие шумы.

ПТ принципиально отличается от биполярных тем, что управляются электрическим полем, а не зарядом, поступающим в базу под действием входного тока. Достоинства ПТ: - большое входное сопротивление; - большая эффективность управления, т.к. обратно смещенный переход затвора не потребляет энергии; - лучшие частотные характеристики, т.к. перенос носителей определяется проводимостью, а не диффузией.

2. МДП-транзисторы

Транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник либо металл-окисел-полупроводник (МДП или МОП), в которых окислом может выступать и окись кремния - диэлектрик.

По характеру влияния напряжения затвора на проводимость канала делятся на:



- транзисторы с встроенным каналом,

- транзисторы с индуцированным каналом.

В случае ПТ со встроенным n-каналом в высокоомном кристалле p-типа формируются две высоколегированные области n⁺ и n-проводящий канал между ними, затем поверхность окисляется (SiO₂) и в промежутки между n⁺ областями наносится металлическая пленка, выполняющая роль затвора. Таким образом, затвор отделен от канала слоем диэлектрика. Одна из сформированных n⁺ областей является истоком, другая - стоком.

При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле затвора вытесняет электроны из канала в подложку (происходит обеднение канала носителями тока) и ток уменьшается. При положительном напряжении на затворе - обогащение канала, т.е. ПТ работает как в режиме обогащения, так и обеднения канала носителями. Структура такого ПТ и его стоко-затворная характеристика приведены на рис. 8,а и б.

а б

Рис. 8

В зависимости от полярности напряжения на затворе уменьшается или увеличивается сопротивление канала. В ПТ с индуцированным каналом проводящий канал отсутствует при U_З = 0, а при смещении больше порогового происходит инверсия электропроводности приповерхностного слоя и образуется n-канал.

При положительном напряжении на затворе числе электронов в приповерхностном слое p-полупроводника возрастает, а число дырок уменьшается (электроны притягиваются к поверхности, а дырки вытесняются полем вглубь подложки). При напряжении, превышающем пороговое происходит инверсия электропроводности поверхности полупроводника n>p и образуется n-канал. Условное изображение на схемах таких ПТ имеет вид рис. 9,а. Стоко-затворная характеристика ПТ с индуцированным n-каналом приведена на рис. 9, б.

Рис. 9

Недостаток ПТ: боятся статистического электричества

Долго считались, что ПТ принципиально низкочастотные приборы из-за большой емкости затвора. Однако прогресс в технологии позволяет делать затворы (каналы) микронными и субмикронными, и в настоящее время полевые транзисторы по высокочастотным свойствам превосходят биполярные.

полевой транзистор полупроводниковый зарядовый

3. Основные параметры МДП транзистора

Основные параметры ПТ сходны с параметрами электронных ламп.

Характерной особенностью МДП-транзистора является большое входное сопротивление R_вх = 10⁹ - 10¹⁵ Ом, которое определяется сопротивлением изоляции между затвором и каналом. Большое R_вх и малые входные токи приводят к тому, что коэффициент усиления по току не может быть параметром, т.к. это было у биполярного транзистора. В качестве основного усилительного параметра используют крутизну стоко-затворной характеристики

(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



б

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

З = 1 ?Q/Q = 1 е,

где Q - передаваемый заряд; ?Q - потеря заряда при передаче; е - коэффициент потерь.

При зазоре между Зi в 2-3 мкм и t_зап = 20-50 нс получают единичный коэффициент потерь е₁ = (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 10⁶ 10⁷. 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.



Литература

1. Полупроводниковые приборы В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. - М.: Высш. шк. 1987. -427 с.

2. Батушев В.А. Электронные приборы: Уч. Для высш. Шк. - М: Высш. шк. 1980. -383 с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Уч. Пособие для вузов. - М.: Сов. Радио 1980. -424 с.

4. Игнатов А.Н. Полевые транзисторы и их применение.- М.: Радио и связь, 1984. -276 с.

5. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. - М.: Радио и связь, 1984, -80с.

6. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник / А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова.-2-е изд., перераб. М: Энергоатомиздат, 1984.

7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник / В.А. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. М: Энергоатомиздат, 1982.

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред. А.В. Голомедова. М: Радио и связь, 1989.

9. Тиристоры: Справочник/ О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. М: Радио и связь, 1990. (Массовая радиобиблиотека)

10. Булычев А.Л. и др. Электронные приборы. - М.: Лайт Лтд., 2000. - 416 с.

11. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Уч. пособие для вузов / Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др.; Под ред. Проф. Н.Д. Федорова. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.

12. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - 2-е изд. испр. и доп. - СПб.: КОРОНА принт, 2000. - 416 с.

13. Быстров ЮА., Гамкрелидзе С.А., Иссерлин Е.Б., Черепанов В.П. Электронные приборы и устройства на их основе: Справочная книга.- М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 656 с.

14. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Ганзий Д.Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 354 с.

15. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов / Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др., Под ред. проф. Н.Д. Федорова. М.: Радио и связь, 1998. -560 с.

16. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. - М.: Наука, 1986. -240 с.

17. Речицкий В.И. Акусто-электронные радиокомпоненты. Схемы, топология, конструкции. - М.: Радио и связь, 1987. -246 с.

18. Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах.- М.: Радио и связь, 1983. -216 с.

Размещено на Allbest.ru