ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 9077
Скачиваний: 23
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
(
),
nМАКС
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 проиллюст-
рировать работу ПЗС с помощью гидродинамической модели
(рис. 9.14, а — в). В этой модели потенциальная яма отождеств-
ляется с сосудом, зарядовый пакет Q
П
— с жидкостью, запол-
няющей этот сосуд, поверхностный потенциал, т.е. глубина по-
тенциальной ямы, с расстоянием h от поверхности жидкости, за-
полняющей сосуд, до верхнего края сосуда (с эффективной «глу-
биной» сосуда). В такой модели между объемом жидкости в со-
суде и глубиной его незаполненной части существует линейная
зависимость вида (рис. 9.14), а глубина пустого сосуда
( )
0
h
уве-
52
личивается пропорционально напряжению затвора (см. рис. 9.14,
а). Эта модель используется для пояснения процесса переноса за-
рядового пакета. Рассмотрим процесс переноса зарядового пакета
в ПЗС с трёхтактной схемой управления. Временные диаграммы
управляющих импульсов для этого случая приведены на
рис. 9.15. Пусть в момент времени t
1
на затворах, присоединен-
ных к шине Ф
2
, напряжение высокого уровня
З
ПОР
U
U
>
и под
вторым и пятым затворами накоплены зарядовые пакеты (рис.
9.16), а на затворах, присоединенных к шинам Ф
1
и Фз, — на-
пряжение низкого уровня и под соответствующими затворами
нет потенциальных ям и зарядовых пакетов. В момент времени t
2
на затворы, соединенные с шиной Фз, поступает напряжение вы-
сокого уровня, и под ними практически мгновенно формируются
пустые потенциальные ямы. На затворах шины Ф
1
сохраняется
напряжение низкого уровня. Для нормальной работы ПЗС рас-
стояние между соседними затворами должно быть достаточно
малым, чтобы потенциальные ямы соседних элементов, на затво-
ры которых подано напряжение U
З
, сливались в единую потенци-
альную яму без барьера посередине, как показано на рис. 9.17 для
момента времени t
1
>t>t
2
. Перенос зарядовых пакетов становится
возможным благодаря краевому эффекту. Он состоит в том, что
размеры потенциальной ямы в плоскости пластины (в направле-
нии переноса зарядовых пакетов) превышают размеры затвора,
т.е. потенциальная 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 потенциаль-
54
ные ямы под соседними затворами перекрываются, образуя еди-
ную 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 зна-
чительно выше, чем под затвором 2. В результате влияния заря-
дового пакета Q
n2
при одинаковых напряжениях на затворах 2 и 3
в общей потенциальной яме возникнет продольное электрическое
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 сосу-
да 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 управ-
ляющих импульсов. Достоинство данного способа ввода элек-
трического сигнала — высокое быстродействие (время инжекции
составляет 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 этапе входной диод
смещают в обратном направлении и экстрагируют электроны из-
под затворов в n
+
-область. При этом из-под входного затвора за-
ряд экстрагируется полностью, а из-под первого затвора он экст-
рагируется до уровня, соответствующего поверхностному потен-
циалу под входным затвором. Поскольку потенциальная яма
входного затвора оказывается пустой, то поверхностный потен-
циал под этим затвором, как отмечалось выше, пропорционален
напряжению на этом затворе, т.е. напряжению входного сигнала.