ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8947
Скачиваний: 15
51
генерации электронов в обедненном слое или на поверхности по-
лупроводника, диффузии электронов из подложки.
Распределения поверхностного потенциала в МДП-структу-
ре в направлении, перпендикулярном затвору, для различных
моментов времени приведены на рис 9.12. Координата
х
отсчиты-
вается от границы полупроводник (П) — диэлектрик (Д). Штри-
ховой линией показана граница диэлектрик — металл (М). По
мере накопления зарядового пакета за счет тепловой генерации
носителей заряда толщина обедненного слоя L
ОБ
и поверхност-
ный потенциал полупроводника
ПОВ
ϕ
уменьшаются, а разность
потенциалов на диэлектрике увеличивается. В установившемся
режиме (t
= ∞ ) поверхностный потенциал уменьшается до значе-
ния (
2
ln
a
ПОР
T
i
N
n
⎛
⎞
ϕ
= ϕ
⎜
⎟
⎝
⎠
), где N
а
— концентрация акцепторов в
подложке, n
i
, — концентрация собственных носителей. При этом
у поверхности образуется инверсный слой n-типа, максимальный
заряд электронов в котором
(
),
n
МАКС
Д
З
ПОР
Q
С
U
U
=
−
(9.1)
где
Сд
=
0
/
a
Д
S
d
ς ς
— емкость диэлектрика, S
a
— площадь затвора.
Для работы ПЗС существенна зависимость поверхностного по-
тенциала от величины зарядового пакета при заданном напряжении
затвора (рис. 9.13) Эта зависимость приблизительно линейная:
/
.
ПОВ
Д
Q C
Δϕ
= −Δ
(9.2)
При постоянном значении Q
П
поверхностный потенциал
возрастает при увеличении напряжения затвора также приблизи-
тельно по линейному закону.
Приведенные зависимости позволяют наглядно проиллю-
стрировать работу ПЗС с помощью гидродинамической модели
(рис. 9.14,
а
—
в
). В этой модели потенциальная яма отождествля-
ется с сосудом, зарядовый пакет Q
П
— с жидкостью, заполняющей
этот сосуд, поверхностный потенциал, т. е. глубина потенциаль-
ной ямы, с расстоянием h от поверхности жидкости, заполняющей
сосуд, до верхнего края сосуда (с эффективной «глубиной» сосу-
да). В такой модели между объемом жидкости в сосуде и глуби-
ной его незаполненной части существует линейная зависимость
вида (рис. 9.14), а глубина пустого сосуда
( )
0
h
увеличивается
52
пропорционально напряжению затвора (см. рис. 9.14,
а
). Эта мо-
дель используется для пояснения процесса переноса зарядового
пакета. Рассмотрим процесс переноса зарядового пакета в ПЗС с
трёхтактной схемой управления. Временные диаграммы управ-
ляющих импульсов для этого случая приведены на рис. 9.15.
Пусть в момент времени t
1
на затворах, присоединенных к шине
Ф
2
, напряжение высокого уровня
З
ПОР
U
U
>
и под вторым и пя-
тым затворами накоплены зарядовые пакеты (рис. 9.16), а на за-
творах, присоединенных к шинам
Ф
1
и
Фз
, — напряжение низко-
го уровня и под соответствующими затворами нет потенциаль-
ных ям и зарядовых пакетов. В момент времени t
2
на затворы, со-
единенные с шиной
Фз
, поступает напряжение высокого уровня,
и под ними практически мгновенно формируются пустые потен-
циальные ямы. На затворах шины
Ф
1
сохраняется напряжение
низкого уровня. Для нормальной работы ПЗС расстояние между
соседними затворами должно быть достаточно малым, чтобы по-
тенциальные ямы соседних элементов, на затворы которых пода-
но напряжение U
З
, сливались в единую потенциальную яму без
барьера посередине, как показано на рис. 9.17 для момента вре-
мени t
1
>t>t
2
. Перенос зарядовых пакетов становится возможным
благодаря краевому эффекту. Он состоит в том, что размеры по-
тенциальной ямы в плоскости пластины (в направлении переноса
зарядовых пакетов) превышают размеры затвора, т. е. потенци-
альная яма образуется не только под затвором, но и на некотором
расстоянии от его краев.
h(Q)
U
З
=3U
1
З
U
З
=2U
1
З
U
З
=U
1
З
U
З
U
З
=2U
1
З
U
З
=3U
1
З
Q=0,5Qмакс
Q=Qмакс
а
б
в
Рис. 9.14 — Пояснение работы ПЗС на примере
гидравлической модели
53
t
t
U
1
З
Ф
1
Ф
2
Ф
3
U
1
ЗМИН
t
t
1
t
2
t
3
t
4
t
ПЕР
t
кр
Рис. 9.15 — Временные диаграммы работы ПЗС
6
3
4
5
2
1
Q
n6
Q
n5
Q
n2
Ф
1
Ф
2
Ф
3
Q
n3
t
t
3
>t>t
2
t>t
3
t=t
4
Рис. 9.16— Принцип передачи зарядового
пакета в ПЗС
Размеры областей за границами затвора, в которых форми-
руется потенциальная яма, увеличиваются с ростом напряжения
на затворе. Только при достаточно больших напряжениях на со-
седних затворах и малых расстояниях между ними потенциальные
54
ямы под соседними затворами перекрываются, образуя единую
потенциальную яму.
Поскольку при t = t
1
в третьем элементе электронов нет, а во
втором накоплен зарядовый пакет Q
п2
, то согласно зависимостям,
показанным на рис. 9.13, при одинаковых напряжениях на затво-
рах U
З2
= U
З3
поверхностный потенциал под затвором 3 будет
значительно выше, чем под затвором 2. В результате влияния за-
рядового пакета Q
n2
при одинаковых напряжениях на затворах 2
и 3 в общей потенциальной яме возникнет продольное электриче-
ское поле, ускоряющее электроны в сторону третьего элемента.
В гидродинамической модели ПЗС процессу переноса заря-
дового пакета соответствует перетекание жидкости в пределах
общего сосуда. После повышения напряжения на затворе 3 фор-
мируется общий сосуд, расположенный под двумя затворами и в
промежутке между ними. Жидкость в этом сосуде при t > t
2
рас-
пределена неравномерно и начинает перетекать под затвор 3. По
мере выравнивания уровней жидкости под затворами 2 и 3 ско-
рость течения уменьшается.
Чтобы ускорить перекачку жидкости, напряжение на затво-
ре 2 при t > t
3
постепенно понижают до значения U
ЗМИН
. Дно со-
суда под этим затвором поднимается, и жидкость перемещается в
сосуд, расположенный под затвором 3.
При t = t
4
перенос зарядового пакета из второго элемента
в третий заканчивается, при этом зарядовый пакет Q
П3
в третьем
элементе оказывается меньше исходного Q
П2
. В тот же период
времени осуществляется аналогичный перенос зарядового пакета
из пятого элемента в шестой. Направленность переноса зарядо-
вых пакетов обеспечивается тем, что во время переноса на затво-
рах 1 и 4 (шина
Ф
1
) поддерживается низкое напряжение и под
ними потенциальная яма не формируется. Для направленного пе-
реноса в рассмотренном случае используют трехтактные управ-
ляющие напряжения. Для хранения и переноса одного зарядового
пакета необходимы три элемента.
Устройства ввода и вывода зарядовых пакетов являются
обязательными структурными элементами ПЗС. Они позволяют
преобразовывать выходные сигналы (уровни напряжения) в сиг-
нальные зарядовые пакеты, а на выходе осуществлять обратное
преобразование. Рассмотрим устройство ввода электрического
55
сигнала (рис. 9.17,
а
). Оно состоит из области 1 n
+
-типа, которая
образует с подложкой
-
n p
+
переход (входной диод), входного
омического контакта 2 к области 1 и входного затвора
Фвх
. При
простом способе ввода на вход подается сигнал отрицательной
полярности, смещающий входной диод в прямом направлении, а
к
Фвх
прикладывается управляющее положительное напряжение.
Наибольшее прямое смещение инжектирующего p-n перехода
обеспечивается в приповерхностной области, оно увеличивается
с ростом разности напряжений на входе и на входном затворе.
Зарядовый пакет инжектируется вначале из n
+
-области, под
входной затвор (рис. 9.17,
б
), а затем переносится под первый за-
твор
Ф
1
. Величина инжектируемого зарядового пакета увеличи-
вается с ростом амплитуды входного сигнала по нелинейному
(приблизительно экспоненциальному) закону. Кроме того, она
зависит от времени инжекции, т. е. от тактовой частоты управля-
ющих импульсов. Достоинство данного способа ввода электриче-
ского сигнала — высокое быстродействие (время инжекции со-
ставляет несколько наносекунд).
В ряде случаев требуется обеспечить близкую к линейной за-
висимость величины инжектируемого зарядового пакета от вход-
ного напряжения. Она может быть получена в том же устройстве
ввода (см. рис. 9.18,
а
), если использовать иной режим его работы,
называемый режимом инжекции экстракции (рис. 9.17,
в
). Ин-
формационный сигнал положительной полярности подают на
Фвх
, а входной диод вначале смещают в прямом направлении. На
этапе 1 обеспечивается максимальное заполнение электронами
потенциальных ям под входным затвором и первым затвором
Ф
1
,
на который подают напряжение U
З
>U
ПОР
. На втором этапе вход-
ной диод смещают в обратном направлении и экстрагируют элек-
троны из-под затворов в n
+
-область. При этом из-под входного
затвора заряд экстрагируется полностью, а из-под первого затво-
ра он экстрагируется до уровня, соответствующего поверхност-
ному потенциалу под входным затвором. Поскольку потенциаль-
ная яма входного затвора оказывается пустой, то поверхностный
потенциал под этим затвором, как отмечалось выше, пропорцио-
нален напряжению на этом затворе, т. е. напряжению входного
сигнала.