Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

_Ф = _об+ _диф (4.9)

Чувствительность определяется произведением коэффициента пропускания Т на общий квантовый выход _Ф.

Фотодиодная ячейка также может служить генератором зарядовых пакетов и ее использование предпочтительнее в коротковолновой части спектра (0,4 - 0,45 нм).

Генератор типа ПЗС-структуры (рис. 4.3, в) представляет собой фотодиод и три МОП-затвора.

Первый разделительный затвор З₁ служит для формирования потенциального барьера и зарядового пакета в процессе разделения полем фотогенерированных электроно-дырочных пар.

Второй затвор З₂ является накопительным и формирует величину зарядового пакета. По окончании периода накопления заряда и окончательного формирования зарядового пакета на разрешающий затвор подается высокий потенциал и зарядовый пакет перетекает в фазовый элемент шины Ф,.

Напряжение на разделительном затворе З₁ понижается, и между накопительными элементами и элементами фазового напряжения создается потенциальный барьер. Начинается следующий период накопления, в процессе которого весь процесс генерирования зарядового пакета повторяется и он перемещается в регистр ПЗС.

Такие генераторы характеризуются высокой интегральной чувствительностью, линейным преобразованием падающего излучения в зарядовый пакет, удовлетворительной скоростью параллельной передачи зарядовых пакетов из секции накопления в ПЗС-регистры, улучшением частотно-контрастной характеристики.

Конструкция генераторов неоднородностей в виде электрического домена (домена Ганна) весьма проста (рис. 4.4, а). На отрицательном электроде кристалла двухдолинного полупроводника, например арсенида галлия, возникает неоднородное распределение концентрации электронов в виде дипольного слоя. Такой полупроводник имеет N-образную характеристику. Слой образуется между слоями электронов и дырок. Между этими слоями создается дополнительное поле Е, которое добавляется к внешнему электрическому полю. Поле внутри домена становится больше, чем вне его (рис. 4.4, б). Если дифференциальное сопротивление меньше нуля, то ток уменьшается с ростом поля внутри диполя. Растет падение напряжения на дипольном слое и домен стабилизируется. Распределение зарядов представлено на рис. 4.4, б. Так как напряженность поля вне домена меньше, чем внутри, то новые домены не образуются. Домен образован электронами проводимости и движется в направлении их дрейфа со скоростью, близкой к скорости дрейфа v_др.

Новый домен может образоваться только после аннигиляции домена у анода, Размер домена составляет 10 - 20 мкм. Домены могут генерироваться в полупроводниках как с электронным, так и с дырочным типом проводимости. Форма колебаний тока представлена на рис. 4.4, в, а частота следования колебаний f пропорциональна отношению v/l, где v - скорость домена, l - длина образца.

а

б в

Рис. 4.4. Генератор доменов Ганна (а), распределение

электрического поля Е и объемного заряда  (б) в домене,

форма колебаний тока (в)

Генерирование динамических неоднородностей в виде токовой неустойчивости возможно и в полупроводниках с S-образной вольтамперной характеристикой. В полупроводниковой структуре ток по сечению распределен неравномерно. Происходит образование областей с большей плотностью тока, чем в остальном сечении. Это так называемые токовые шнуры. Это явление характерно для всех приборов с ВАХ S-типа независимо от физического механизма их работы. В некоторых приборах это явление относится к паразитным, поскольку не используется полная, площадь прибора. Увеличение тока через полупроводниковую структуру в области шнурования происходит при постоянном напряжении. Шнур может перемешаться от места своего образования под действием физических полей различной природы. Подвижность шнура зависит от напряженности полей и может быть использована для переноса информационного сигнала.

4.1.4. Устройства управления динамическими

неоднородостями

Существуют различные способы управления распространением динамических неоднородностей в полупроводниках, но все они основываются на эффекте воздействия поля на динамические неоднородности. Рассмотрим некоторые примеры.

Подавая на каждый последующий электрод цепочки МОП-конденсаторов (рис. 4.6, а) напряжение выше предыдущего, можно осуществить процесс перетекания заряда во все более глубокую потенциальную яму. Однако такой процесс не может быть долгим потому, что легко может быть получено пробивное напряжение. Для перемещения зарядовых пакетов удобно использовать импульсы напряжения трапецеобразной формы (рис. 4.6, б).

В момент подачи импульса напряжения на электрод 1, на электроде 2 напряжение мало. С уменьшением амплитуды тактового импульса U₁ увеличивается амплитуда импульса U₂. Соответственно потенциальная яма под электродом 1 уменьшается, а под электродом 2 увеличивается (рис. 4.6 в, г) Зарядовый пакет из-под электрода 1 перемещается под электрод 2. Возможно обратное перемещение заряда в случае обратной последовательности подачи напряжения, перенос зарядов осуществляется в три стадии.

Рис. 4.6. Зарядовая связь между двумя МОП-конденсаторами:

а - сечение МОП-конденсаторов; б - импульсы, подаваемые на электроды; в - зарядовый пакет в левой потенциальной яме;

г - сформированная пустая потенциальная яма;

д - перенос зарядового пакета самоиндуцированным дрейфом;

е - перенос зарядов краевым полем; ж - перенос зарядов

диффузией; з - зарядовый пакет в правой потенциальной яме

В начальный момент, когда яма полностью заполнена и зарядовый пакет имеет максимальную величину, перенос происходит из-за электростатического расталкивания инверсионных электронов. Как только часть носителей попадает в потенциальную яму под второй электрод, возникает градиент плотности заряда и соответственно градиент электрического поля. Именно это поле вызывает ток носителей или самоиндуцированный дрейф (рис. 4.6, д). Величина заряда в первой яме уменьшается по гиперболическому закону. Время перетекания заряда составляет порядка 10^-9 с.

С уменьшением зарядового пакета силы расталкивания ослабевают и самоиндуцированный дрейф замедляется. Начинается дрейф под действием краевого поля, обусловленного разностью потенциалов под соседними электродами. Величина краевого поля зависит от амплитуды тактовых импульсов. Дно потенциальной ямы под первым электродом наклоняется в сторону перетекания заряда. Угол наклона пропорционален напряженности краевого поля (рис. 4.6, е). По гидравлической аналогии это соответствует наклону дна сосуда. Основная часть зарядового пакета 90 % переносится именно с помощью этого ме­ханизма (рис. 4.6, ж).

Это медленная стадия процесса переноса. Эффективность переноса определяется величиной

, (4.10)

где Q(T) — величина зарядового пакета, успевшего перетечь за период такта, Q_ - величина полного зарядового пакета. При малом значении  происходит искажение информа­ционного сигнала, что недопустимо в устройствах. Оценки показывают, что допустимая неэффективность переноса  =  - 1  10^-5.

В момент минимального значения импульса U₁ яма под электродом 1 схлопнется, в то время как на электроде 2 будет максимальное значение амплитуды импульса, а под электродом будет локализован практически весь зарядовый пакет (рис. 4.6, з). Цепочка таких МОП-конденсаторов с зарядовой связью образует сдвиговый регистр, предназначенный для транспортировки и хранения зарядовых пакетов.

В полупроводниковой структуре, обладающей S-oбразной ВАХ, распределенный р⁺-n-переход находится одновременно в двух пространственно разделенных состояниях. Эти состояния определяются разными потенциалами смещения: прямое смешение под нелинейным контактом и обратное смещение на остальной части структуры. Получился бисмещенный переход с инжекционной неустойчивостью или, сокращенно, БИСПИН. Токовая неустойчивость возникает после достижения определенного порога генерации. Порог можно понизить освещением полупроводника или путем пропускания небольшого тока через распределенный р-п-переход.

Волны пространственного заряда генерируются в полупроводнике с объемной отрицательной дифференциальной проводимостью с помощью двух электродов. Электроды располагаются в области распространения волн и обеспечивают однородное электрическое поле, что является условием возникновения отрицательной дифференциальной проводимости (рис. 4.5, а).

Рис. 4.5. Генератор волн пространственного заряда (а)

и частотная зависимость фазовой скорости волн (б):

1 - металлический контакт; 2 - легированный слой

(п  10¹⁶ см^-3 ); 3 - собственный полупроводник;

U_см - наряжение смещения

Значение напряженности электрического поля Е лежит в пределах (3 - 12)∙10³ В/см. Обеспечение таких значений напряженности поля на больших длинах волн является самостоятельной задачей. Частотная зависимость фазовой скорости приведена на рис. 4.5, б. Длина когерентности волн пространственного заряда на несколько порядков может превышать длину волны. Величиной и вектором фазовой скорости волн пространственного заряда можно управлять путем изменения вектора скорости дрейфа электронов, другими словами, направлением электрического поля. Таким образом, в основе всех рассмотренных конструкций генераторов динамических неоднородностей лежит идея использования электрических полей. Возбуждаемые динамические неоднородности можно отнести к электрической природе.

Если же поместить полупроводник с разными концентрациями носителей тока в постоянное магнитное поле, то возникают спиральные волны - геликоны. Магнитное поле должно быть достаточно сильным, чтобы радиус орбиты носителей R был много меньше длины свободного пробега носителей R  l. Геликоны представляют собой динамические неоднородности уже электромагнитной природы.

Управлять процессом передачи зарядов можно, управляя величиной на затворах зарядово-связанных МОП-конденсаторов. Различают несколько типов ПЗС-регистров, различающихся количеством фаз.

На рис. 4.7 представлена схема накопления и переноса зарядовых пакетов в трехфазном ПЗС. Последовательность импульсов на фазах Ф₁, Ф₂, имеет периодический характер и трапециевидную форму. Их временная диаграмма представлена на рис. 4.7, в, г, б. Импульсы следуют с некоторым временным перекрытием так, чтобы фронт последующего по времени импульса нарастал бы раньше, чем начался спад импульса предыдущей фазы. Заметим также, что импульсы имеют некоторое постоянное смещение U_см (1 - 3 В), обеспечивающее постоянное обеднение поверхности основными носителями. Отсутствие такого напряжения смещения приводило бы к потерям величины зарядового пакета вследствие рекомбинации электронов с дырками. Напряжение на фазах ПЗС-структуры колеблется в пределах 10 - 20 В.

Формируя симметричные либо асимметричные топологии структуры, можно создать также одно-, двух-, четырехтактные сдвиговые регистры. Рассмотренный трехтактный ПЗС-регистр относится к первому типу, в котором направленность переноса зарядового пакета обеспечивается индуцированными потенциальными барьерами. Эти барьеры формируются электрическими полями со стороны, противоположной переносу зарядового пакета.

Рис. 4.7. Накопление и перенос зарядовых пакетов

в трехфазном ПЗС (а) и диаграммы управляющих импульсов на фазах Ф₁ (б). Ф₂ (в), Ф₃ (г)

Направленность переноса зарядовых пакетов можно обеспечить с помощью технологически встроенных зарядовых барьеров. Такие конструкции относятся ко второму типу сдвиговых регистров.

Асимметричное распределение потенциала, обеспечивающее направление и управляемый перенос зарядовых пакетов, можно получить неоднородным распределением примесей под электродами, а также изменением толщины слоя диэлектрика.

В процессе управляемого переноса информационного сигнала существенную роль играют каналы переноса, которые можно классифицировать по признаку локализации.

Различают:

- поверхностный канал, расположенный у границы «диэлектрик – подложка», который обеспечивает высокую зарядовую емкость, простоту технологии. К недостаткам по­верхностного канала следует отнести невысокое быстродействие, большие шумы, низкую эффективность переноса;

- объемный канал, расположенный на глубине 0,2 мкм, называют мелким, на глубине до 0,5 мкм - глубоким. Достоинством этого канала является более высокое, чем у по­верхностных каналов, быстродействие, высокая эффективность переноса из-за устранения влияния поверхностных ловушек и поверхностного рассеяния носителей. К недостаткам относится небольшая зарядовая емкость и усложнение технологии производства;

- перистальтический канал, состоящий из неглубокого канала с высокой степенью легирования и находящегося под ним глубокого канала с небольшой степенью легирования. Такая комбинация позволяет достичь оптимального сочетания быстродействия и зарядовой емкости. Недостатком является существенное усложнение технологии производства;

- многоканальные структуры содержат много каналов переноса, позволяющие переносить носители зарядов противоположного знака. Такая сложная конструкция сложна в изготовлении, но расширяет функциональные возможности ПЗС-регистра;

- канал с резистивным электродам является типом канала, в котором перенос заряда осуществляется под действием в канале электрического поля переменной напряженности. Перенос осуществляется механизмом дрейфа носителей. Это является ограничивающим фактором на число электродов в регистре при достаточно простой его конструкции.

4.2. Приборы и устройства функциональной

полупроводниковой электроники

4.2.1. Аналоговые процессоры на пзс-структурах

Аналоговые приборы предназначены дня обработки информационных сигналов, заданных в виде непрерывных функций. Особый интерес представляют ПЗС-структуры. Приборы с зарядовой связью используются в различных системах для хранения и обработки цифровой и аналоговой информации.

ПЗС позволяют осуществлять обработку цифровой и аналоговой информации, а именно: аналоговое и цифровое суммирование, деление и усиление сигналов; возможность неразрушающего считывания с необходимыми весовыми коэффициентами; возможность многократного ввода и вывода зарядовых пакетов.

Различают цифровые, аналоговые и фоточувствительные ПЗС.

К аналоговым ПЗС следует отнести линии задержки (ЛЗ), фильтры, аналоговые процессоры.

Линии задержки выполняют функцию задержки сигналов. Для приборов ПЗС линия задержки или регистр сдвига являются базовым элементом (рис. 4.11, а). Различают последовательные (рис. 4.11, б), параллельные (рис. 4.11, в) и последовательно-параллельные линии задержки. В ЛЗ с последовательной организацией зарядовые пакеты последовательно сдвигаются через все N-элементов ПЗС. Время задержки определяется тактовой частотой f_т и числом элементов N:

_з = N / f_т. (4.11)

Максимальная ширина полосы пропускания аналогового сигнала равна половине значения тактовой частоты f = f/2. Такая простая организация ЛЗ при N  10² - 10³ позволяет получить небольшую задержку сигнала.

Для получения большей задержки используется последовательно-параллельная организация ЛЗ (рис. 4.11, г).

Рис. 4.11. Конструкция линий задержек на ПЗС

Информационный поток последовательно вводится с частотой f_т во входную последовательную секцию и после ее заполнения вся строка параллельно сдвигается в нижний регистр. В выходной секции зарядовые пакеты в последовательной форме передаются на выход, воспроизводя исходный сигнал.

Линия задержки на ПЗС-структурах позволяет регулировать задержку сигнала в пределах от звуковых частот до частот телевизионных и радиолокационных сигналов.

Фильтры на ПЗС являются дискретно-аналоговым прибором и служат для частотного разделения сигналов, определенного полосой пропускания. Входной сигнал в них дискретизируется во времени или представляется совокупностью значений (отсчетов, выборок). Выборки обрабатываются в фильтрах по определенным правилам.

Различают трансверсальные, рекурсивные фильтры, а также корреляторы, в которых сигнал обрабатывается по определенным правилам.

Трансверсальные фильтры на ПЗС реализуются на основе ЛЗ с отводами, имеющими различные весовые коэффициенты в соответствии с требуемой полосой пропускания (рис. 4.12, а). Взвешивание сигналов в фильтрах осуществляется с помощью разделения элементов на две части. Величина зарядового пакета делится пропорционально площади электродов. Суммирование взвешенных сигналов осуществляется с помощью тактовых шин, на которые подаются идентичные тактовые импульсы. Протекающие токи считываются раздельно, и разность сигналов усиливается дифференциальным усилителем (ДУ). Такая конструкция называется трансверсальным фильтром и имеет точность взвешивания 1 – 2 %. Трансверсальный фильтр может производить операцию свертки U₁(t) _* U₂(t) входного сигнала U₁(t) с импульсной характеристикой фильтра U₂(t). Трансверсальный фильтр не имеет обратных связей.