Устройство и принцип действия приборов с зарядовой связью

В настоящее время в МДП-технологии используются две разновидности активных приборов. К первой относятся различные типы МДП-транзисторов, рассмотренные в предыдущем разделе, а ко второй - приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Приборы с зарядовой связью относятся к классу новых, весьма перспек-

тивных интегральных микросхем, реализуемых на основе структуры металл –

диэлектрик – полупроводник. Принцип действия их основан на хранении заря-

да неосновных носителей в потенциальных ямах, возникающих вблизи поверх-

ности полупроводника под действием внешнего электрического поля, и на пе-

ремещении этого заряда вдоль поверхности при сдвиге потенциальных ям. Ос-

новываясь на таком принципе переноса носителей заряда, можно осуществить

преобразование, хранение и обработку информации, представленной плотно-

стью заряда.

В современных интегральных микросхемах на приборах с зарядовойсвя-

зью используется несколько типов создания потенциальных ям вблизи поверх-

ности полупроводника. Однако наибольшее распространение получили ПЗС на

основе МДП-структур.

Рис. 5.1

Одним из важнейших типов ПЗС является поверхностно-зарядовыйтран-

зистор, структура которого приведена на рис. 5.1. Она представляет собой

кремниевую подложку n-типа, на которой создаются области, покрытые слоем

SiO2 толщиной 0, 1-0, 2 мкм. Над этими областями создаются металлические

электроды.

Количество технологических операций, необходимых для изготовления

ПЗС, вдвое меньше, чем для изготовления МДП-структур. Важная особенность

ПЗС-структур состоит в том, что их можно изготавливать не только на основе

кремния, но и на основе ряда других полупроводников, например арсенида гал-

лия, имеющих высокую подвижность носителей заряда и большую ширину за-

прещенной зоны. Однако следует отметить, что для функционирования ПЗС

плотность поверхностных состояний должна быть меньше примерно на два по-

рядка, чем в МДП-структуре.

Рассмотрим принцип работы ПЗС. Для ПЗС характерно два режима рабо-

ты: режим хранения и режим передачи информационного заряда. Если, используя

соответствующий электрод, приложить к поверхности подложки электриче-

ское поле с вектором напряженности, имеющем такое направление, при кото-

ром основные носители заряда отталкиваются, то под электродом будет форми-

роваться обедненная область. Эта область представляет собой потенциальную

яму для неосновных носителей заряда, которыми являются дырки. По мере на-

копления дырок в потенциальной яме возникает равновесный поверхностный

слой, что и соответствует режиму хранения информационного заряда. Инфор-

мационный заряд не может храниться в ПЗС в течение длительного времени

вследствие термической генерации носителей, которые вызывают накопление

паразитного заряда дырок в потенциальной яме. С помощью электродов истока

и стока создаются обедненные поверхностные области. Третий электрод – за-

твор, частично перекрывает исток и сток. После приложения напряжения к ис-

току в транзисторе создается распределение зарядов, показанное на рис. 5.1.

Под истоком возникает потенциальная яма, содержащая поверхностный заряд,

причем дырки, попавшие в эту область под действием электрического поля,

притягиваются к поверхности подложки и локализуются в узком инверсном

слое. Под стоком возникает потенциальная яма, заполненная неосновными

дырками, образующимися в результате термогенерации. Если используется до-

полнительный источник неосновных дырок, инжектирующий заряды в потен-

циальные ямы некоторым образом, и если заряд устанавливается до наступле-

ния термического равновесия, то потенциальные ямы могут хранить переда-

ваемую информацию.

Если к истоку приложить более отрицательное напряжение, чем напря-

жение хранения, приложенное к другому электроду, то под первым электродом

возникает более глубокая потенциальная яма, а в области, разделяющей потен-

циальные ямы, создаётся электрическое поле, параллельное поверхности под-

ложки. Это приводит к процессу переноса дырок в более глубокуюпотенциаль-

ную яму, который осуществляется как за счёт дрейфа под действием поля, так и за

счёт диффузии под действием градиента концентрации неосновных дырок.

Процесс переноса дырок и представляет собой второй характерный ре-

жим работы ПЗС, называемый режимом передачи информационного сигнала.

Максимальное значение напряжённости электрического поля, возникающего

под электродами вследствие неравномерного распределения неосновныхды-

рок, определяется полуэмпирическим соотношением

где p0 – стандартная поверхностная концентрация дырок.

Процесс переноса дырок используется без передачи зарядов от одного

электрода к другому, что позволяет реализовать специфические сдвиговые ре-

гистры, не требующие между собой проводниковых соединений между обра-

зующими их элементами и соединений с поверхностью подложки.