ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 9075
Скачиваний: 23
61
носа зарядовых пакетов определяется только последовательно-
стью тактовых импульсов. Изменяя эту последовательность,
можно передавать зарядовые пакеты сначала в одном, а затем в
другом (противоположном) направлении. Поэтому ПЗС с про-
стейшей структурой элементов могут быть названы приборами с
двунаправленным переносом. В двухтактных ПЗС направленное
перемещение зарядовых пакетов обеспечивается за счет более
сложной — асимметричной — структуры элементов.
В рассмотренных выше ПЗС использовался перенос зарядов
в очень тонком слое полупроводника, расположенном вблизи его
поверхности. Для них поверхностные состояния и низкая под-
вижность электронов у поверхности ограничивают эффектив-
ность переноса и максимальную тактовую частоту. Улучшить эти
параметры прибора можно в том случае, если хранить и переда-
вать зарядовые пакеты на достаточном удалении от поверхности
полупроводника.
Это условие реализуется в ПЗС с объемным каналом пере-
носа. Структура такого прибора показана на рис. 9.20, а.
p
n
Вход
Выход
1
А
А
n
+
30
10
2
1
n
U
З
=0 В
φ
х,мкм
U
З
=10В
p
4
20
а
б
Рис. 9.20 — Структура ПЗС с объемным каналом
62
Для его создания в высокоомной подложке p-типа диффу-
зией или ионным легированием формируют тонкий (толщиной
около 4 мкм) n-слой. На краях
n
-слоя размещаются входная и вы-
ходная области
n
+
-типа, к которым создают омические контакты.
Прибор с объемным каналом переноса работает следующим об-
разом. Предположим, что подложка и все затворы 1 заземлены,
входная цепь разомкнута, а к выходному выводу через резистор
подключен источник положительного постоянного напряжения
(30 В), смещающий р
-n
переход между
n
-областью и подложкой в
обратном направлении. При этих условиях в рассматриваемой
структуре образуются не только приповерхностные обедненные
области под затворами, но и обедненная область р
-n
перехода.
Если положительное напряжение на
n
-слое достаточно ве-
лико, то приповерхностные подзатворные обедненные области
смыкаются (в вертикальном направлении) с обедненной обла-
стью р
-n
перехода. Под каждым затвором образуется единая
обедненная область, энергия электронов в которой меньше, чем в
подложке и вблизи поверхности полупроводника.
Распределение потенциала в вертикальном направлении по
сечению А—А структуры показано на рис. 9.20, б (кривая 1). Ко-
ордината х отсчитывается от поверхности полупроводника. Рас-
пределение потенциала имеет максимум на глубине х
=
3 мкм, т.е.
внутри
p-n
-слоя. Он соответствует минимуму потенциальной
энергии электронов. Электроны, введенные в такую структуру,
будут смещаться электрическим полем к области с минимальной
потенциальной энергией. Следовательно, аналогично структуре с
поверхностным каналом переноса эта структура способна накап-
ливать и хранить зарядовые пакеты в потенциальных ямах под
затворами. В отличие от ПЗС с поверхностным каналом переноса
здесь в потенциальных ямах, расположенных в
n
-слое, накапли-
ваются основные носители — электроны. Как и в приборах с по-
верхностным каналом переноса, глубину потенциальной ямы в
рассматриваемой структуре можно регулировать, изменяя напря-
жение на соответствующем затворе. Кривая 2 на рис. 9.20, б по-
казывает, как влияет повышение напряжения на затворе до 10 В
на распределение потенциала (при пустой потенциальной яме).
Заряды можно перемещать из данного элемента в соседний, из-
63
меняя напряжения на затворах точно так же, как в трехтактных
ПЗС с поверхностным каналом переноса. Поскольку минимум
потенциальной энергии (т.е. область накопления зарядовых паке-
тов) располагается на значительном расстоянии от границы по-
лупроводник — диэлектрик, влияние поверхностных состояний
резко ослабляется и увеличивается подвижность электронов. Эти
факторы приводят к увеличению максимальной тактовой частоты
и снижению коэффициента потерь.
Эффективность переноса ПЗС с объемным каналом на сред-
них частотах определяется взаимодействием зарядовых пакетов с
объемными ловушками. Концентрация объемных ловушек значи-
тельно ниже, чем поверхностных. Важное достоинство ПЗС с
объемным каналом — низкий уровень шумов, обеспечиваемый
устранением взаимодействия зарядовых пакетов с поверхност-
ными состояниями. Их недостатком является значительно мень-
шая величина максимального зарядового пакета, что обусловлено
большим расстоянием между затвором и областью накопления
зарядов.
Вопросы
для
самопроверки
1.
Основные достоинства логических элементов на полевых
транзисторах, какие типы полевых транзисторов в настоящее
время применяются?
2.
Нарисуйте схему инвертора на
n
-канальных МДП-тран-
зисторах.
3.
Объясните работу инвертора на МДП-транзисторах на
физическом уровне.
4.
Начертите схему инвертора на комплементарных транзи-
сторах.
5.
Объясните работу инвертора на комплементарных тран-
зисторах на физическом уровне.
6.
Основные достоинства инвертора на комплементарных
транзисторах по сравнению с инвертором на МДП-транзисторах.
7.
Логическая схема И
-
НЕ на n-канальных транзисторах.
8.
Логическая схема ИЛИ
-
НЕ на n-канальных транзисторах.
9.
Объясните работу схем И
-
НЕ
,
ИЛИ
-
НЕ
на
n
-канальных
64
транзисторах.
10.
Основные достоинства логических элементов на n-
канальных транзисторах.
11.
Логические схемы И
-
НЕ
,
ИЛИ
-
НЕ на комплементарных
транзисторах, начертите схемы.
12.
Объясните работу схем И
-
НЕ
,
ИЛИ
-
НЕ на комплемен-
тарных транзисторах.
13.
Объясните работу инвертора динамического типа.
14.
Для чего в схему инвертора динамического типа вводит-
ся передаточный транзистор?
15.
По какой причине в логических схемах динамического
типа тактовые последовательности сдвинуты относительно друг
друга во времени?
16.
Логические элементы И
-
НЕ
,
ИЛИ
-
НЕ динамического
типа.
17.
Основные достоинства логических элементов динамиче-
ского типа.
18.
Устройства и принцип действия приборов с зарядовой
связью.
19.
Причины, приводящие к неполному переносу зарядового
пакета в ПЗС.
20.
Нарисуйте схемы ввода и вывода сигналов в ПЗС и объ-
ясните принцип работы.
21.
Основные параметры элементов ПЗС.
22.
Принципы повышения эффективности переноса в ПЗС с
поверхностным каналом.
23.
Разновидности конструкций ПЗС (принципы работы
ПЗС с объёмным каналом).
65
10.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Структуры, электрические параметры микросхем и их эле-
ментов определяются технологией изготовления. В данной главе
даются сведения о типовых технологических процессах и опера-
циях, применяемых для создания полупроводниковых и гибрид-
ных микросхем. Совокупность технологических процессов и опе-
раций, проводимых в определенной последовательности, состав-
ляет технологический цикл изготовления микросхем.
10.1
Общие
сведения
о
технологии
изготовления
полупроводниковых
микросхем
Создание микросхем начинается с подготовки полупроводни-
ковых пластин. Их получают разрезанием монокристаллических
полупроводниковых слитков цилиндрической формы с последую-
щими шлифовкой, полировкой и химическим травлением для уда-
ления верхнего дефектного слоя и получения зеркальной поверхно-
сти с шероховатостью (высотой неровностей) 0,03...0,05 мкм. Диа-
метр пластин не превышает 300 мм, толщина около 0,5 мм, до-
пустимый прогиб и отклонение от параллельности поверхностей
не более 10 мкм по всему диаметру. Пластины характеризуются
типом (
n
или р) электрической проводимости (электропроводно-
сти), удельным сопротивлением, а также кристаллографической
ориентацией поверхности. Для последующих операций исключи-
тельно важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а
также неоднократно в течение технологического цикла произво-
дят очистку, удаляя посторонние вещества с помощью промывки,
растворения и т.п.
Эффективна ультразвуковая очистка, когда пластины по-
гружают в ванну с растворителем, перемешиваемым с помощью
ультразвука. Технологический цикл может быть разделен на два
больших этапа — обработки пластин и сборочно-контрольный.
Первый этап включает процессы, формирующие на пластинах
структуры микросхем, т.е. их элементы и соединения.
Для реализации элементов в определенных местах пластины
создают области с требуемыми типом электропроводности и