2.1. Приборы с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) – интегральный полупроводниковый прибор, в основе работы которого лежит принцип хранения локализованного заряда неосновных носителей в потенциальных ямах (ПЯ), образуемых в полупроводниковом кристалле под действием внешнего электрического поля, и передачи этого заряда из одной ПЯ в другую при изменении напряжения на внешних электродах. Идея использования зарядовой связи для создания многофункциональных ИС выдвинута американскими физиками У. Бойлом и Дж. Смитом в 1970 г.

Основным элементом ПЗС (рис. 2.1, а), в котором происходит накопление и хранение информационного заряда, является МОП-конденсатор, причем отдельные элементы в ПЗС расположены на единой полупроводниковой подложке столь близко друг от друга, что ПЯ, образуемые под соседними электродами, сливаются, и между ними возможна зарядовая связь. В отличие от МОП-конденсатора, изображенного на рис. 1.8, второй «обкладкой» конденсаторов в составе ПЗС (первая обкладка – внешний электрод, а диэлектрик – оксид кремния) является собственно полупроводник подложки, а не дополнительная диффузионная область, причем отдельные МОП-конденсаторы здесь не изолированы друг от друга обратно смещенными p-n-переходами.

Если напряжение к внешнему электроду МОП-конденсатора не приложено, то область полупроводниковой подложки n-типа под ним равномерно заселена электронами. При подаче на внешний электрод положительного (относительно подложки) напряжения электроны притягиваются к изоляционному слою, образуя на обкладках конденсатора заряд. Емкость этого конденсатора будет определяться толщиной диэлектрика SiO₂.

Если к внешнему электроду МОП-конденсатора подвести отрицательное (относительно подложки) напряжение, большее по модулю некоторого порогового значения, при котором в стационарном режиме в МОП-структуре образуется инверсный слой (или положительное, если полупроводник р-типа), то основные носители заряда (в данном случае – электроны) под действием электрического поля будут вытеснены из области, находящейся под электродом. Образуется динамическая неоднородность в виде области в полупроводнике, обедненной основными носителями. На обкладках сформируются заряды, но емкость такого конденсатора будет много меньше, чем в предыдущем случае, так как диэлектриком для него служит не только слой SiO₂, но и область полупроводника, обедненная носителями, которая в данном случае также играет роль диэлектрика.

Реально любой полупроводник неидеален: из-за дефектов кристаллической решетки, наличия примесей состояние МОП-конденсатора меняется во времени. В обедненной области происходит термогенерация положительных и отрицательных носителей заряда, т.е. дырок и электронов. Естественно, что электроны вытесняются из обедненной области, а дырки наоборот концентрируются у поверхности изоляционного слоя, образуя слой, который и называется инверсным. При этом емкость конденсатора изменяется. Созданная динамическая неоднородность, а именно обедненная область, изменяет тип проводимости и через некоторое время обращается в полупроводник p-типа.

Для ПЗС важно время, в течение которого динамическая неоднородность в виде обедненной области сохраняет свои свойства. В зависимости от технологии производства и чистоты полупроводникового материала это время составляет величину порядка долей и единиц секунд (при комнатной температуре). Данная характеристика имеет значение для выявления наиболее низких частот, на которых могут работать РЭС на ПЗС. Рабочим режимом ПЗС является нестационарный режим образования обедненной области, но не инверсного слоя, поскольку при образовании последнего неосновные носители заряда, обусловленные термогенерацией, накапливаясь, смешиваются с неосновными носителями заряда, несущими информацию, и затрудняют выделение собственно информационного заряда.

В зависимости от технологии изготовления и назначения ПЗС могут иметь различное число электродов управления. Соответственно ПЗС называются одно-, двух-, трехфазными и т.д. Рассмотрим процесс переноса заряда по линейке расположенных рядом друг с другом МОП-конденсаторов трехфазного ПЗС (рис. 2.1, а). На три электрода каждой элементарной ячейки такой структуры подаются импульсы смещения в соответствии с временной диаграммой (рис. 2.1, б). Все первые электроды в элементарных ячейках объединены одной сигнальной шиной (первая фаза), все вторые – другой (вторая фаза) и т.п.

Следовательно, независимо от числа элементарных ячеек в строке для управления данным ПЗС используются последовательности из трех фазированных импульсов (трех фаз), которые имеют трапециидальную форму и во времени своими фронтами и срезами взаимно (1-й на 2-й, 2-й на 3-й, 3-й на 1-й и т.д.) накладываются друг на друга. Необходимость этого наложения обусловлена тем, что пока не создана ПЯ под следующим электродом, нельзя уничтожать ПЯ под предыдущим электродом.

Пусть на первый конденсатор под номером 1.1 подано отрицательное напряжение, превышающее по модулю пороговое, при котором начинает формироваться обедненная область. Будем считать, что конденсаторы идеальны, а инверсный слой не образуется. Эта обедненная область, образовавшаяся в конденсаторе 1.1, не содержит зарядов и никакой пользы для реализации РЭС принести не может. Предположим, что каким-то образом в эту область введен заряд неосновных носителей заряда (дырок), пропорциональный мгновенному значению входного аналогового информационного сигнала. Эти дырки, находясь в обедненной области, будут сохраняться какое-то время.

Положим, что через некоторое время уже на соседний конденсатор (электрод) 1.2 подано напряжение, большее по модулю, чем пороговое (при этом там образуется обедненная область), а с электрода 1.1 напряжение снимается. Если эти конденсаторы расположены близко друг к другу, то напряжение на электроде 1.2 притянет к себе дырки, находившиеся ранее в обедненной области под электродом 1.1. Очевидно, что на изменение положения динамической неоднородности, т. е. на передвижение дырок, понадобится время тем большее, чем дальше удалены друг от друга МОП-конденсаторы. В идеальном случае после снятия напряжения с электрода 1.1 все дырки без потерь перейдут под электрод 1.2. Реально наблюдаются небольшие потери заряда.

После этого напряжение, превышающее по модулю пороговое, подают на электрод 1.3, одновременно снимая напряжение с электрода 1.2. В результате дырки, находившиеся ранее под электродом 1.2, не смогут вернуться под электрод 1.1, так как напряжение на нем в этот момент равно нулю, и вынуждены будут, испытывая притяжение от напряжения, приложенного к электроду 1.3, перейти в обедненную область, сформированную под этим электродом. При этом предполагается, что на электроде 2.1 напряжение пока отсутствует и, следовательно, дальнейшее их продвижение пока невозможно. Таким образом, формируются три шага, которые проходят дырки в идеальном случае без потерь.

В следующий момент времени исходный информационный заряд будет передан первому конденсатору второй «тройки», а под электрод 1.1, где вновь образуется обедненная область, можно ввести новое количество дырок, отображающее следующее значение (отсчет) входного аналогового информационного сигнала. Далее эти циклы могут продолжаться столько раз, сколько секций (групп) конденсаторов, включающих в себя по три МОП-конденсатора, сформировано на полупроводниковой подложке. Подчеркнем, что заряды в конденсаторах, отдаленных друг от друга на два МОП-конденсатора, будут существовать и продвигаться самостоятельно.

Таким образом, в рассмотренной структуре из МОП-конденсаторов при подаче на них поочередно управляющих импульсов можно накопить большое количество отсчетов входного аналогового информационного сигнала, отображенных в разных зарядах, находящихся под разными электродами. Время задержки будет определяться длительностью периода следования управляющих импульсов, подаваемых на электроды, и количеством элементарных конденсаторов. Если время возникновения инверсного слоя удается сделать достаточно большим, то при создании таких РЭС, как линии задержки, можно легко увеличить задержку, не увеличивая габариты устройства, т. е. при очень малых габаритах, массе, стоимости, затратах мощности.

Информационные заряды, пропорциональные отсчетам входного аналогового информационного сигнала, вводятся в ПЗС, в основном, двумя способами: либо управляемой инжекцией неосновных носителей заряда, либо посредством облучения полупроводника световым потоком. На рис. 2.1, а реализован первый способ, при котором используется дополнительная область противоположного по отношению к подложке типа проводимости (p⁺), сильно обогащенная носителями заряда.

Для этого в подложке формируют p⁺-n-переход, на который подают входной аналоговый информационный сигнал (положительной по отношению к подложке полярности). Кроме того, между входным p⁺-n-переходом и первым основным управляющим электродом имеется дополнительный управляющий электрод, называемый затвором. На затвор в дискретные моменты времени с постоянной периодичностью подается отрицательное (по модулю меньшее, чем на первом электроде 1.1) импульсное напряжение конечной длительности, формирующее зарядовые пакеты.

Величина заряда в пакете оказывается пропорциональной текущему мгновенному значению входного аналогового информационного сигнала. Отрицательные импульсные напряжения на затворе и электроде 1.1 синхронизированы по времени, что обеспечивает точное попадание сформированного зарядового пакета в поджидающую его первую ПЯ. При снятии с затвора отрицательного напряжения области p⁺ и под электродом 1.1 электрически разъединяются, а информационный заряд начинает тактируемое движение по полупроводниковой подложке.

Таким образом, в линейке (структуре) ПЗС накапливается большое количество значений входного аналогового информационного сигнала, равное числу МОП-конденсаторов в структуре, деленному (в рассматриваемом случае) на три. Эта накопленная совокупность отсчетов в случае линии задержки должна в той же последовательности выдаваться на выходе.

В качестве выходного устройства ПЗС может использоваться обратно смещенный p⁺-n-переход (рис. 2.1, а), который подобно коллектору биполярного транзистора осуществляет экстракцию неосновных носителей заряда. Отрицательное смещение на этот p-n-переход заводится через нагрузочный резистор, а выходной сигнал снимается собственно с выходного вывода ПЗС. Также в ПЗС роль выходного устройства может играть МОП-транзистор.

Конструкция ПЗС и, следовательно, техпроцесс его производства не представляют достаточной сложности. Установка для изготовления ПЗС в простейшем случае должна обеспечить лишь нанесение управляющих металлических электродов на слой SiO₂, который создается на поверхности кремниевой подложки. При этом не требуется вскрывать окна в оксидном слое и проводить диффузию. Единственной операцией является маскирование для создания металлических слоев по тонко- или толстопленочной технологии.

Функциональные возможности ПЗС определили области их практического применения, которыми в настоящее время являются: аналоговые ИС (линии задержки, дискретные фильтры и др.), цифровые ИС (логические схемы динамического типа, сдвиговые регистры и т.д.), фоточувствительные ИС (оптоэлектронные устройства, используемые для формирования сигналов изображения).

При использовании ПЗС в устройствах обработки аналоговых или цифровых сигналов информационный заряд вносится под электроды ПЗС посредством управляемой инжекции. Для создания линий задержки и фильтров на ПЗС чаще всего применяются однострочные схемы с отводами (фильтры) или без них (линии задержки). Использование отводов дает возможность производить съем данных со всех ячеек ПЗС с разными весовыми коэффициентами, формируя тем самым требуемые характеристики дискретного фильтра.

Основой ЗУ на ПЗС является линия задержки. Для увеличения времени хранения информации информационный заряд в таком ЗУ непрерывно циркулирует по ПЗС-структуре путем передачи его с выхода снова на вход через устройство регенерации, компенсирующее потерю зарядов при передаче. Чаще всего такая система используется в цифровом ЗУ. Схемы типичных линий задержки на ПЗС, применяемых в качестве ЗУ, представлены на рис. 2.2. Организация петлевых структур обходится дешевле, нежели соответствующее увеличение числа ячеек ПЗС в разомкнутой структуре. Основной областью применения ЗУ на ПЗС является буферная память.

В ЗУ на ПЗС достигается уровень интеграции, на порядок более высокий, чем в соответствующих устройствах на обычных МОП ИС. Они характеризуются тактовыми частотами в десятки МГц и средней потребляемой мощностью в 5 – 10 мкВт/бит. Плотность записи информации в ЗУ на ПЗС может достигать 1,5·10⁵ бит/см², что примерно втрое превышает плотность, достигаемую в полупроводниковых ЗУ, построенных на иных принципах.

Из всех устройств на ПЗС наибольшее распространение в настоящее время получили фоточувствительные ИС (ФИС). Пусть на электроды однострочной ФИС на ПЗС в режиме накопления информационного заряда поданы смещения, при которых ПЯ максимальной глубины находится под вторым электродом в каждой элементарной ячейке. Если такую ФИС разместить в фокальной плоскости объектива (рис. 2.3), то под действием света в приповерхностной области полупроводниковой подложки генерируются электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем управляющего электрода.

В результате, неосновные носители (в данном случае, дырки) в каждой ПЯ образуют заряд, соответствующий освещенности в данной точке, и изображение будет записано в виде зарядовых пакетов. Для увеличения эффективности преобразования оптических сигналов управляющие электроды в ФИС выполняются из оптически прозрачного проводящего материала, например, легированного поликремния. В ряде случаев прозрачности поликремния оказывается недостаточно, и применяют обратную засветку, направляя излучение со стороны подложки. В конце строки размещается считывающее устройство (например, уже упоминавшийся выше обратно смещенный p⁺-n-переход) и видеоусилитель.

При подаче на электроды ПЗС тактовых импульсов, обеспечивающих перемещение зарядовых пакетов к выходному устройству, с видеоусилителя снимается последовательность импульсов, соответствующих световой картине. При передаче зарядовых пакетов в такой ФИС часть носителей заряда остается в ПЯ и теряется в результате процессов рекомбинации. Характеристикой потерь носителей служит коэффициент неэффективности переноса (относительная потеря заряда при переносе на один электрод), составляющий для кремниевых приборов величину порядка 10^–4– 10^–5.

Однострочные кремниевые ФИС обычно содержат до 2000 элементарных ячеек на одном кристалле длиной до 30 мм. В зависимости от используемого полупроводникового материала или легирующей примеси спектральный диапазон чувствительности ПЗС составляет 50 – 14000 нм. Матричные ФИС на ПЗС имеют число элементов разложения вплоть до 2000х2000, т.е. степень интеграции превышает 10⁶активных элементов на кристалл. Матричные ФИС высокого разрешения являются твердотельными аналогами телевизионных передающих электронно-лучевых приборов. Они находят широкое применение в современных видеокамерах.