Введение зарядового пакета может быть осуществлено либо с помощью

р-n - перехода, расположенного вблизи крайнего электрода ПЗС, либо сверхгенерацией. Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуются в зарядовые пакеты передвижных носителей заряда, размещаемые определенным образом в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности.

Важным конструктивно – технологическим достоинством ПЗС является простота их изготовления, что дает возможность создавать многоэлементные устройства с числом элементов 10⁶-10¹⁶, высокой степенью интеграции (10⁵ элементов на одном кристалле) и высокой плотностью упаковки (более 10⁵ бит/см ), с малым числом внешних выводов. Незначительное число фотолитографических, термодиффузионных, эпитаксиальных и других операций, используемых при изготовлении ПЗС, позволяет создавать приборы этого класса с малыми затратами, высокой эффективностью и качеством.

При производстве ПЗС большие трудности возникают в технологическом процессе получения диэлектрических пленок, в которых отсутствуют проколы, а также металлических электродных шин без коротких замыканий. Важнейшей технологической задачей является получение узких 1,5 – 2 мкм зазоров между электродами. В структурах ПЗС с многослойными кремниевыми затворами трудно получить высококачественный изолирующий диэлектрический слой между всеми уровнями поликремния.

По технологическому признаку ПЗС можно разделить на две группы: поверхностные и объемные. Поверхностные ПЗС имеют обычно диффузионные или ионно-легированные области в равномерно легированной подложке.

Объемные ПЗС включают МДП – затворы, р-n переходы и переходы Шотки.

ПЗС первой группы имеют одинаковую толщину диэлектрического слоя под всеми металлическими шинами и ступенчатую, в которой диэлектрический слой последовательно изменяет свою толщину. Ступеньки в диэлектрическом слое получают методом локального травления, а узкие зазоры между металлическими электродами формируются с помощью косого напыления металла на определенные участки поверхности подложки, при котором ступеньки диэлектрика маскируют (затеняют) определенные места на подложке. Величина зазора при таком способе напыления управляется изменением величины угла нанесения металла.

Т ехнологический процесс изготовления ПЗС со ступенчатым диэлектрическим слоем состоит в следующем. На кремниевую подложку (рис.20а) осаждают слой SiO2 толщиной 320 нм, на которой в свою очередь осаждают слой Al2O3 толщиной 100 нм, а затем снова слой SiO2 толщиной 200 нм.

Рис.20. Технологический процесс изготовления ПЗС

С помощью фотогравировки вытравливают области под нижние затворы. Затем стравливают участки окисла кремния, незащищенные слоем Al2O3, в результате чего в пластине кремния образуются выступы глубиной 100 – 150 нм.

На полученную после травления структуру наносят слой Al2O3 толщиной 50 нм (рис.20 б). В результате такого осаждения края пленки Al2O3 нависают над выемками на расстоянии 250 нм. После этого проводят осаждение слоя титана толщиной 50 нм и слоя палладия толщиной 100 нм. Так как общая толщина слоя меньше высоты ступенек в диэлектрике, то затворы над толстым и тонким диэлектриком не соединяются между собой (рис.20 в). Последним этапом является осаждение толстых слоев золота (рис.20 г), которые служат металлическими затворами ПЗС.

Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов. К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относят возможность хранения зарядовой информации и ее направленной передачи вдоль поверхности полупроводника; возможность преобразования светового потока в электрический заряд и последующего его считывания – сканирования. Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность 5 –10 мкВт/бит (в режиме передачи информации) и практически полное отсутствие затрат энергии в режиме хранения, что обусловлено МДП – структурой этих устройств. Простота конфигурации и регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этих приборов может быть очень высоким.

Эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС в неоптоэлектронной и оптоэлектронной областях.

В неоптоэлектронной области ПЗС используются для построения разнообразных устройств обработки цифровой и аналоговой информации. Разработаны сдвиговые регистры, ОЗУ, логические схемы, линии задержки.

В оптоэлектронной области ПЗС используются для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей изображения. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом.

10. Инжекционные структуры

Высокое быстродействие при малой потребляемой мощности при одновременном увеличении надежности и степени интеграции реализовано в ИС с инжекционным питанием (ИП).

Первые ИС с ИП были изобретены в 1971 году на основе биполярных транзисторных структур. В основу ИП положены два принципа.

1.Новая организация цепи питания транзистора, позволяющая непосредственно вводить (инжектировать) подвижные носители заряда в область базы транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Инжекция избыточных носителей заряда приводит к нарушению электронейтральности базовой области и смещению сначала эмиттерного, а затем и коллекторного переходов усилительного транзистора в прямом направлении, что позволяет отказаться от традиционного способа питания цепи базы и коллектора транзистора через резисторы, которые ограничивают ток, потребляемый от источника питания, рассеивая дополнительную мощность и снижая надежность устройства в целом.

2.Второй принцип положенный в основу структуры с ИП, - функциональная интеграция рабочих областей биполярных транзисторов дополняющего типа проводимости. При этом существенно повышается плотность компоновки элементов на кристалле, благодаря сокращению количества изолированных областей, вскрываемых отверстий под контакты и количества металлизированных внутрисхемных соединений.

Непосредственное введение избыточных носителей в базовую область транзисторной структуры может осуществляться двумя известными способами: при первом способе используется эффект генерации носителей заряда в объеме полупроводника при воздействии на него излучения, например, видимого света. В качестве источника питания может быть использован не только световой поток, но и излучение любого другого рода, обеспечивающие необходимую интенсивность генерации пар носителей зарядов, например, источник радиоактивного излучения. В первом случае мы имеем дело с оптоэлектронной областью применения ИС с ИП.

Реализация второй возможности инжекции избыточных носителей заряда связана с дополнительной областью – инжектором, расположенной вблизи области базы транзисторной структуры.

Т аким образом, цепь питания может быть реализована в виде генератора тока, выполненного на фотодиоде или транзисторе. На рис.21 показаны простейшие эквивалентная и принципиальная схемы инжекционного транзистора.

Рис.21. Схемы инжекционной структуры; а) эквивалентная схема; б) принципиальная схема

Рассмотрим второй способ реализации ИП. Инжекция неравновесных носителей через специальный инжекторный переход, смещаемый в прямом направлении, позволяет резко снизить питающее напряжение до величины, соответствующей прямому напряжению на переходе (0,6 – 0,7 В для кремниевых переходов и 0,3 – 0,4 В для германиевых).

Таким образом, ИП ИС позволяет:

разрабатывать ИС и РЭА, работающие при низких уровнях потребляемой энергии;

полностью исключить резисторы из электрической схемы;

применять многоколлекторные транзисторные структуры;

повысить степень интеграции ИС и ее надежность;

создавать с применением стандартной биполярной технологии в одном кристалле цифровые и аналоговые ИС.

В качестве примера рассмотрим простейшую структуру планарного транзистора с инжектирующим р-n – переходом, смещенным в прямом направлении током от внешнего источника питания (рис. 22).

Рис.22.Структура транзистора с инжекционным питанием

Она состоит из обычного планарного транзистора VT1, полученного методом двойной диффузии на подложке из n-кремния, и инжектирующей р1-области, удаленной на расстоянии X от базовой р2-области. р1 – область технологически создана одновременно с диффузией базы транзистора VT1, работающего в инверсном режиме. Конструктивно инжекционный транзистор может иметь несколько коллекторов, которые реализуются как обычным p-n – переходом, так и переходом Шотки.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в такой структуре.

При протекании прямого тока In через инжектирующий переход p1n1 из дырочной области в электронную происходит инжекция дырок, а из электронной области в дырочную – инжекция электронов. Для простоты в дальнейшем будем рассматривать только инжекцию дырок, что отражено стрелками на рис.22. Дырки, инжектированные из р₁ – области в n₁ – область, создают некоторый объемный заряд, электрическое поле которого распространяется в объем полупроводника и приводит в движение основные носители заряда – электроны, поступающие из заземленного эмиттера. Другими словами, избыточный заряд ∆ρq частично компенсируется инжекцией Δn электронов из эпитаксиальной пленки эмиттера. Время установления процесса компенсации объединенного заряда определяется временем релаксации и составляет для кремния (ε = 11,7), удельное сопротивление которого ρ = 10 Ом см, менее 10 с, что практически можно считать мгновенным. Результирующий заряд

Q = q (∆p - ∆n), (8)

вызывает смещение в прямом направлении сначала p2n1 – перехода, а потом p2n2 – перехода, которые соответственно являются эмиттерным и коллекторными переходами транзистора VT1.

Если рассматривать транзистор с ИП не с точки зрения анализа физических процессов, протекающих в нем, а как законченную конструктивно – топологическую единицу, то последняя представляет собой четырехслойную структуру p1 – n1 – p2 – n2 – типа, в которой можно выделить два транзистора VT1 и VT2. Транзистор VT1 npn – типа с вертикальным расположением рабочих зон образован частью эмиттерной n1 – области, расположенной в ней базовой p2 – областью и коллекторной n2 – областью. Транзистор VT2 pnp – типа с латеральным расположением рабочих зон образован инжекторной p1 – областью, базовой n1 – областью и коллекторной p2 – областью. Как видно, n1 и p2 области выполняют одновременно функции соответственно эмиттера и базы, базы и коллектора.

Рассмотренная модель инжекционного транзистора позволяет ввести количественные оценки, которые характеризуют качество изготовляемых инжекционных структур. Из рис. 22 следует: α 1N , α 1J – нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока усилительного транзистора VT1, α 2N, α2J – нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока инжектирующего транзистора VT2. В случае многоколлекторных структур взаимодействие между коллекторами также оценивается нормальным и инверсным коэффициентами передачи тока α Кij α Кji соответственно.

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе нашли широкое отражение вопросы схемотехники ИС на основе ИП, достаточно полно представлены рекомендации по практическому применению различных конструкций инжекционного транзистора, исследованы их статические и динамические характеристики в режиме большого сигнала, разработаны различные по степени сложности модели инжекционного транзистора и предложены методики их применения для машинного анализа цифровых и аналоговых устройств.

Библиографический список литературы

1. Пономарев М.Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1982 .- 288с.

2.Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1989. – 400с.

3. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Учеб. Пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2 –е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1987. – 416с.

4. Крюков Ю.Г., Ус Н.А. Схемотехника и автоматизация проектирование линейных интегральных схем с инжекционным питанием. – Воронеж: Издательство ВГУ, 1990. – 168с.

5. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью. – М.: Сов. радио, 1976. – 144с.

Юрий Григорьевич Крюков,

Конструирование микросхем и микросборок

Конспект лекций

Редактор

Св. темплан 1998 г., поз №

-----------------------------------------------------------------------------------------

Подписано к печати . Формат 60х84х16.

Бумага для множительных аппаратов. Объем

усл. печ. л. . Тираж 100 экз.

Заказ № Цена

Воронежский государственный технический университет

394026, Воронеж, Московский проспект, 14

участок оперативной полиграфии

Воронежского государственного технического университета