Полевой эффект и его применение (стр. 14 из 19)

где f_грнижн — частота нижней границы полосы. Эти физические механизмы позволяют охарактеризовать полевой транзистор так называемым двухгенераторным методом. Основная теорема этого метода гласит, что любой активный линейный четырехполюсник можно представить последовательным генератором напряжения шума и параллельным генератором шумового тока, присоединенными к входу идеального четырехполюсника, не содержащего источников шумов. Данный способ исследования шумовых свойств годится только для случая малого сигнала, однако поскольку шумовые сигналы обычно слабы, никаких трудностей здесь не возникает. Величина g представляет собой коэффициент корреляции между двумя источниками шумов, с помощью которого учитывается наличие или отсутствие влияния этих источников друг на друга. Если g равно 1, между выходами обоих генераторов имеется функциональная связь. Если же g равно нулю, генераторы совершенно не зависят один от другого.

К счастью, в полевом транзисторе имеет место слабая корреляция между дробовым шумом, обусловленным током утечки затвора, и тепловым шумом в канале. Величины е_ш и i_ш можно измерить непосредственно, однако измерение i_ш осуществить очень трудно. Для измерения е вывод затвора . полевого транзистора соединяют с истоком через малое сопротивление, предпочтительно через короткозамыкающую перемычку, удовлетворяющую следующим условиям:

Первое условие гарантирует, что все напряжение шума е_ш будет приложено ко входу усилителя, второе ограничивает величину тока сигнала, обусловленного источником i_ш. Выходной ток полевого транзистора содержит шумовую компоненту, которая представляет собой произведение эффективного напряжения теплового шума, генерируемого в канале и обедненном слое, на величину g_m- Следовательно, чтобы найти е_ш, надо просто поделить результат измерения на g_m:

(2-57)

Известно, что у полевого транзистора 2N2500 величина f_грнижн равна 32 кгц. Наличие этих данных позволяет с помощью уравнения (2.57) достаточно точно определять эквивалентное входное напряжение шума этого и, вообще говоря, большинства других полевых транзисторов, изготовляемых двойной диффузией. Не следует только путать величину f_грнижн с граничной частотой коэффициента шума.

При измерении i_ш необходимо разомкнуть входную цепь транзистора настолько, чтобы сопротивление R_{разомкн} при этом удовлетворяло следующим условиям:

R_{разомкн}>R_вх

i_шR_{разомкн}>e_ш

Первое требование выполнить чрезвычайно трудно. В большинстве случаев достаточно измерить ток утечки затвора при желаемом смещении и вычислить i_ш, используя уравнение (2.54), где i_ш=(i²_др)^1/2, а i₃ = I_зиХ, т. е. равно статическому току затвора при наличии смещения.

Глава 5 Приборы с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл — диэлектрик— полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис.41). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур [1—3].

Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение, то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности в глубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик — полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.

Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента (электрод 1 на рис.41), либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода (электрод п на рис.41.). Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов.

Естественно, что заряд, введенный в МДП-структуру, не может храниться в ней неограниченно долго. Процесс термогенерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводника и на границе раздела диэлектрик — полупроводник ведет к накоплению в потенциальных ямах паразитных зарядов и, следовательно, к искажению зарядовой информации, а с течением времени и к полному ее «стиранию». Это время может достигать сотен миллисекунд и даже десятков секунд, но, тем не менее, оно конечно и определяет существование нижней граничной частоты. Таким образом, работа прибора основана на нестационарном состоянии МДП-структуры, и ПЗС являются элементами динамического типа.

Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд очень интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов.

К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относятся возможность хранения, зарядовой информации; возможность направленной передачи зарядов вдоль поверхности полупроводникового кристалла; 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 (у специально сконструированных образцов предельные тактовые частоты лежат в гигагерцевом диапазоне) [14].

Пожалуй, еще более важными являются конструктивно-технологические достоинства ПЗС, основными из которых являются технологическая ясность и простота (малое число фотолитографических, термодиффузионных и эпитаксиальных процессов при изготовлении прибора) — обязательное условие при создании качественных многоэлементных (с числом элементов 10⁴—10⁶) устройств; высокая степень интеграции (превышающая 10⁵ элементов на одном кристалле) и высокая плотность упаковки (более 10⁵ бит/см²); малое количество внешних выводов, что является определяющим при построении высоконадежных систем; отсутствие p-n-переходов (немногочисленные p-n-переходы ПЗС выполняют «подсобные» функции и к ним предъявляются достаточно «слабые» требования), что, в частности, открывает широкие возможности для использования наряду с кремнием других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия).[14]

Все эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС.

Для цифровой техники интересны сдвиговые регистры, оперативные запоминающие устройства, логические схемы. Линии задержки аналоговых сигналов на ПЗС по техническим характеристикам значительно превосходят свои акустические и магнитные аналоги.[6,7]

В оптоэлектронной технике преобразования изображений ПЗС открывают принципиальные новые возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом. ПЗС являются уникальными аналогами ЭЛТ, позволяющими одновременно с уменьшением массы, габаритных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и качество формирователей видеосигналов. Дополнительное достоинство фотоприемников на основе ПЗС заключается в принципиальной возможности использовать разнообразные полупроводниковые материалы, что позволит перекрыть широкую область электромагнитного спектра (включая и ИК-область).[6]

Создание передающих телевизионных камер на основе ПЗС приведет в будущем не только к оснащению техники надежным «электронным глазом» (отметим, что в проекте создания средств искусственного зрения для человека ориентация делается также на ПЗС), но и к действительно широкому использованию средств телевидения в быту.

Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световой поток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерация электронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяются и в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемого заряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени (порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, в матрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующая распределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакеты будут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их в электрические сигналы. В результате на выходе получится последовательность импульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.