Прибор с зарядовой связью (стр. 2 из 9)
2 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 храненияинформации: 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 φ0
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 - φ0 + UВ - напряжение плоских зон;
- коэффициент подложки; UB = BOC 
; Сд = εдε0хд - 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 Qpот нуля до стационарного значения поверхностный потенциал уменьшается по абсолютной величине до потенциала инверсии φ0. 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=φ0,
Рис.4. Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного в потенциальной яме заряда при разных напряжениях затвора:
Nд=5-1014 см-3, Uo=3.8 В.
Рис.5. Зависимость QPΣ = QP + QP пар от времени хранения для различных значений информационногозаряда QP.Штриховой линией показаны составляющие заряды, накопленные за счет генерации в обедненной области (1) и на поверхности (2); Qp=0 (3); Qp /Сд= 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 QPего 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 υт=107 см/с, сечение захвата σv = 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, aNд≤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 Qpравномерно 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/μpэ (4)
