Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

312	Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

вход

а

вход

Ф2

Рис. 5.1. Аналоговая линия задержки на «пожарных цепочках» (с) и ее реализация на дискретных полевых транзисторах (6) [212]

Пожарная цепочка представляет собой набор последовательно включенных запоминающих элементов (каждый из которых состоит из запоминающего конденсатора и электронной схемы повторителя), соединенных друг с другом с помощью ключей (см. рис. 5.1а). При замыкании любого ключа К напряжение (заряд) с предыдущего кон- денсатора в цепочке копируется на следующий конденсатор. Если в такой схеме попеременно замыкать каждый второй ключ, то напряжение со входа цепочки при каждом переключении будет последовательно перемещаться на один шаг вдоль цепочки и на выходе цепочки сигнал появится с задержкой, равной произведению интервала времени между переключениями на число элементов в цепочке.

Реализация схемы пожарной цепочки на полевых транзисторах показана на рис. 5.1 б. Движущей силой, заставляющей в этой схеме заряд перемещаться с конденсатора на конденсатор, является напряжение между стоком и истоком, которое наводится конденсатором, подключенным к тактовой шине (ф\ или Ф2), и появляется в момент открывания полевого транзистора.

Идея приборов с зарядовой связью была высказана в 1969 г. В. Бойлом и Д ж . Смитом [214], работавшими в Bell Laboratories и искавшими пути создания электрического аналога запоминающего устройства на цилиндрических магнитных доменах1 ).

Простейшей конструкцией прибора с зарядовой связью является трехтактный регистр сдвига (см. рис. 5.2). Он состоит

х) Любопытно, что благодаря тому, что технологическая база для создания ПЗС была подготовлена предыдущими разработками интегральных схем на

МОП-транзисторах, время, понадобившееся для практической реализации идеи ПЗС в виде прибора, составило всего несколько недель. По-видимому, ПЗС является единственным прибором, реализация которого была столь быстрой.

Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

313

из цепочки МОП-конденсаторов и системы управляющих элек-

тродов, которые подсоединены к трем		тактовым шинам ф\, Ф2
и	Из-за более высокой подвижности	электронов по сравнению

с дырками ПЗС обычно создают на подложках р-типа. Принципиально важным моментом в работе этих приборов является

то, что МОП-конденсаторы работают в условиях			неравновесного
заполнения	потенциальных ям электронами 1). В режиме хра-
нения на одну из шин		на рис. 5.2 а) подается	положительный
потенциал	хранения V3.xpa„ > ^ п о р и под подключенными к этой

шине электродами возникают потенциальные ямы, в которых могут храниться зарядовые пакеты э л е к т р о н о в р е ж и ш перёоачи информации на группу соседних электродов (ф$) подается нарастающий потенциал, а потенциал на шине Ф2 через некоторое время снижается (см. рис. 5.26). При этом электроны из ям, в которой они хранились, перетекают в соседние ямы. После установления новых напряжений на тактовых шинах ПЗС снова переходит в режим хранения, однако зарядовые пакеты уже оказываются передвинутыми. При многократном повторении этих действий зарядовые пакеты перемещаются вдоль поверхности полупроводника в направлении, задаваемом расположением управляющих электродов. Для направленного перемещения зарядов при симметричной конструкции МОП-конденсаторов необходимо иметь не менее трех управляющих электродов, поскольку в режиме передачи по крайней мере один из них должен формировать барьер, предотвращающий перенос заряда в нежелательном направлении.

Основными параметрами приборов с зарядовой связью являются три величины: максимальный заряд в потенциальной яме, максимальное время хранения и эффективность переноса заряда.

Максимальный заряд в яме представляет собой заряд, который может удерживаться в яме без ее «переполнения». Поверхностная плотность этого заряда определяется напряжением на затворе МОП-конденсатора в режиме хранения К,.х р ан и составляет, как это следует из формул п. 4.1.2,

(^ss)max = —Сд(^з.хран — Kiop)-

(5.1)

О Как мы уже отмечали на с. 246, после изменения напряжения на управляющем электроде МОП-конденсатора изменение заряда неосновных носителей в потенциальной яме происходит достаточно медленно. Это позволяет, работая в динамическом режиме, использовать эту особенность для временного

хранения информации в виде зарядов в потенциальных ямах.

314		Гл. 5. Приборы с зарядовой связью
Ф\	<H	93
		v	7 Ь	л	Г \	.
		s,o2	* f	Г ^		Г

1

Рис. 5.2. Поперечное сечение регистра сдвига на ПЗС и потенциалы на его управляющих электродах в режиме хранения (а) и последовательность управляющих импульсов на тактовых шинах (б)

Эта величина обычно составляет ( 0 , 3 - 1 , 6 ) • Ю - 6 Кл/см2 и ограничена сверху напряженностью электрического поля, при котором возникает пробой диэлектрика (характерная толщина окисла в ПЗС составляет 1000 А).

Максимальное	время хранения в П З С определяется как вре-
мя, за которое	неосновные носители, возникающие в резуль-

тате тепловой генерации в полупроводнике, заполняют пустую потенциальную яму, находящуюся в режиме хранения. Значение соответствующего «темнового тока» определяется двумя величинами: плотностью поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик и концентрацией глубоких уровней в полупроводнике. В частности, в кремниевых ПЗС большую роль играет ток генерации, создаваемый глубокими уровнями приме-

си золота	(остаточная концентрация	которого	может составлять
1 0 и - 1 0 1 2	с м - 3 ) , которые находятся	в области	изгиба зон. Для

уменьшения темнового тока проводится геттерирование золота фосфором (см. с. 223), В кремнии максимальное время хранения составляет 1 - 1 0 с при 300 К.

Эффективность переноса в ПЗС. Очень важным параметром, характеризующим искажение сигнала при работе ПЗС, яв-

ляется эффективность переноса		г}. Эта величина определяется
как	доля заряда, переносимая	из одной ямы в соседнюю за
одну	операцию переноса; типичные значения гу лежат в преде-

лах 0,99-0,999999. В качестве альтернативного параметра, описывающего эффективность переноса, часто используют величину неэффективности (потерь) переноса, которая определяется

как (1 —rj). Поскольку цепочки ПЗС обычно	состоят из тысяч
последовательно включенных элементов, а полный		коэффици-
ент передачи цепочки равен rjN, где N —	число	элементов

Гл. 5. Приборы с зарядовой связью	315
в цепочке, то становится понятным стремление	разработчиков
сделать величину г) как можно более близкой	к единице. Ес-

ли это будет не так, то при использовании ПЗС, например, в качестве запоминающето устройства ЭВМ «потеря контраста» между пакетами, отвечающими логическим 1, и пакетами, отвечающими логическим 0, может приводить к сбою в работе этих устройств.

Детальные исследования кремниевых ПЗС показали, что существует три механизма потерь переноса. Кроме возможной неполноты переноса заряда из одной ямы в другую (этот механизм потерь особенно характерен для схем пожарных цепочек в интегральном исполнении), существуют еще два механизма по-

терь, которые связаны с захватом электронов из ям на поверх-

ностные состояния на границе раздела Si—S1O2. Первый из этих механизмов связан с захватом электронов на медленные поверхностные состояния, которые характеризуются низким темпом выброса (см. с. 183); существование таких ловушек проявляется в особенно быстрой потере заряда в первом заполненном пакете, следующем за большой группой пустых пакетов. Второй механизм связан с захватом электронов на быстрые поверхностные состояния, которые характеризуются высоким темпом выброса; при этом часть захваченных носителей успевает вернуться в исходный зарядовый пакет за время переключения управляющего сигнала, а остальные носители попадают в следующий зарядовый пакет. Для механизмов, связанных с неполным переносом и захватом носителей на быстрые поверхностные состояния, ха-

рактерно то,	что суммарный заряд	в	пакетах не	изменяется,
а искажение	сигнала проявляется	в	уменьшении	«контраста»

между соседними заполненными и пустыми пакетами по мере их продвижения в ПЗС.

Для уменьшения потерь переноса важно правильно выбрать значение минимального напряжения на управляющем электроде (VCM на рис. 5.26). Это значение должно быть таким, чтобы не подпускать дырки к границе раздела Si—S1O2 и тем самым препятствовать их рекомбинации с захваченными на поверхностные состояния электронами. Обычно напряжение VCM выбирается так, чтобы на поверхности полупроводника реализовывался режим обеднения или слабой инверсии.

К сожалению, величина потерь, связанных с захватом электронов на медленные поверхностные состояния в описанных выше ПЗС с поверхностным каналом, довольно велика и составляет 0,2 - 0,3% . Для борьбы с этими потерями в «нулевые» зарядовые пакеты часто вводят так называемый фоновый заряд

316	Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

(порядка 10% от максимального заряда в яме). Этот заряд обеспечивает практически стационарное заполнение поверхностных состояний электронами и существенно ослабляет связанные с ними потери (до 0,01% [52]). Однако полностью избавиться от этих потерь невозможно, поскольку они начинают определяться краевыми эффектами, то есть тем, что площадь, занимаемая зарядовым пакетом, зависит от величины заряда. Краевые эффекты могут быть вызваны изменением размеров ямы как в поперечном (перпендикулярным направлению переноса), так и в продольном направлении. Из этого, в частности, следует, что для уменьшения потерь управляющие электроды должны следовать друг за другом без зазоров, а ширина канала в поперечном направлении должна быть достаточно большой.

В неэффективности переноса можно выделить статическую и динамическую компоненты. Статическая компонента в основном связана с обсуждавшимся выше захватом носителей из ямы на поверхностные состояния на границе полупроводникдиэлектрик. Эта компонента потерь существенно зависит от плотности поверхностных состояний.

Динамическая			компонента		связана с конечным		временем
перетекания носителей				из одной	ямы з другую. Если расстоя-
ние между электродами равно L, то постоянная времени про-
цесса	диффузионного			переноса	зарядового	пакета	составляет
4L2/-n2Dn, где		Dn	— коэффициент диффузии			электронов		[212].
Для структуры		с L — 3 мкм это			время равно	« 1 не. На		самом
деле перенос заряда между ямами протекает еще быстрее.
На начальном этапе переноса движение носителей проис-
ходит	за счет	так	называемого		самоиндуцированного		дрейфа,

связанного с электростатическим отталкиванием носителей, локализованных в потенциальной яме. После этого быстрого начального этапа уменьшение концентрации носителей происходит по экспоненциальному закону с указанной выше постоянной

времени, а на	заключительном этапе процесс вновь ускоряется
за счет дрейфа	носителей в краевом поле, возникающем в полу-

проводнике при подаче на два соседних электрода разных управ-

ляющих потенциалов. Напряженность этого					поля в	оптимально
спроектированной		структуре может достигать 2 • 103				В/см.
ПЗС с объемным каналом.			Чтобы	исключить		высокие по-
тери переноса, связанные с поверхностными					состояниями,		Бойл
и Смит предложили конструкцию ПЗС с					объемным		(скры-
тым)	каналом	[215]. Особенностью		этой	конструкции		ПЗС
(см.	рис. 5.3 а)	является то,	что между		слоем	диэлектрика

Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

317

и подложкой р-типа создается дополнительный слой п-типа проводимости толщиной несколько мкм 1). Если на этот слой подать обратное смещение относительно подложки, то в структуре возникнет распределение потенциала, показанное на

рис.	5 . 3 6	(при пустой		потенциальной яме) или на рис. 5.3 в
(при	заполненной		электрона-
ми	яме).	Как	и в	ПЗС

споверхностным каналом,

глубиной потенциальной ямы

вэтой конструкции можно

	управлять,				меняя		напряже-
	ние на управляющем							электро-
	де. Важно, что в этом								ПЗС
	электроны движутся в ка-
	нале,		расположенном					в	объ-
	еме		структуры,				и	поэтому
	они практически не взаимо-									\
	действуют				с	поверхностны-				F
	ми	состояниями					на	грани-
	це Si-Si02. Это существенно
	уменьшает				статическую				ком-	N
	поненту			потерь заряда,					свя-		в
	занную			с	этими		состояния-			Рис. 5.3. Устройство ПЗС с объемным
	ми.	Кроме			того,		для		ПЗС
										каналом (а), его энергетическая диа-
	с объемным					каналом харак-
										грамма в случае пустой ямы (б), его
	терны			более		высокие			крае-
										энергетическая диаграмма в присут-
	вые поля и более высокая									ствии сигнального заряда (14] (в)
	подвижность					носителей			в ка-

нале (электроны не испытывают рассеяния на границе Si—S1O2), что заметно увеличивает скорость переноса заряда из одной ямы в другую. Благодаря этому ПЗС с объемным каналом характеризуются более высоким быстродействием и более низкими потерями по сравнению с приборами с поверхностным каналом (в одном из ПЗС с объемным каналом частота переноса достигала 720 МГц при величине потерь 0,001 % [52]).

Недостатком структур с объемным каналом является уменьшение величины максимальной плотности заряда | ? n s s | m a x , которую можно удержать в яме при заданном напряжении на управляющем электроде. Расчеты показывают, что для однородно легированного дополнительного n-слоя толщиной dn эта

) Толщина и уровень легирования n-слоя выбираются так, чтобы в рабочем режиме этот слой был полностью обеднен электронами.

318	Гл. 5. Приборы с зарядовой связью
величина	уменьшается в 1 + £Adn/(2edA) раз [212]. Правильно

выбрав параметры структуры, в ПЗС с объемным каналом можно

сохранить достаточно высокую величину

|gnS 5 |m a x-

Фi

Интересно,

что

конструк-

ция ПЗС с объемным

каналом

02

позволяет в принципе обой-

тись

и

без

слоя

диэлектри-

ка, если использовать в каче-

а

стве

управляющих

электродов

поверхностные р-п-переходы

или барьеры Шоттки. Это не

только

упрощает

технологию

создания ПЗС-структур, но

позволяет достигнуть

большей

скорости

переноса

и

лучшей

стабильности, а также умень-

шить амплитуду

управляющих

импульсов

до

~ 2

В,

что важ-

+ + + • +

но для

уменьшения

мощности

}

потребления.

. - "I

^ Ч ^

Ч „

Л

Возможность

создания

Ч Ш г

\

в

ПЗС без окисного слоя важна

Рис. 5.4.

Методы

построения

ПЗС

и для создания этих приборов

из

полупроводников,

отлич-

с двухтактным управлением. Во всех

ных

от

кремния,

для

которых

трех конструкциях

используется слой

задача

получения

высоко-

окисла переменной толщины (1000 и

качественного

собственного

4000 А), а в конструкции в с помо-

щью ионного легирования созданы до-

окисла часто оказывается не-

полнительные потенциальные

барье-

выполнимой.

Основная

труд-

ры [212]

ность

при

создании

структур

с управляющими электродами на основе барьеров Шоттки состоит в получении узких зазоров между электродами.

ПЗС	с двухтактным		управлением.		Сложность	электриче-
ской разводки тактовых			шин в схемах		с трехфазным управ-
лением	поставила	задачу	разработки	таких конструкций яче-
ек, которые могли		бы управляться с		помощью двух		тактовых

шин. Понятно, что для направленного переноса зарядов в ПЗС энергетическая диаграмма таких ячеек должна быть асимметрична. Существует несколько конструкций ячеек, допускающих двухтактное управление (см. рис. 5,4). Для создания необходимого асимметричного потенциального рельефа в них используются слои окисла различной толщины, а для дополнительного

Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

319

изменения потенциального рельефа в них может быть применено избирательное легирование приповерхностного слоя полупроводника с помощью ионной имплантации (см. области, помеченные крестиками на рис. 5.4в).

Альтернативный вариант конструкции приборов с зарядовой связью с двухтактным управлением основан на использовании описанной в начале главы идеи пожарных цепочек. При создании этих цепочек в интегральном исполнении (см. рис. 5.5) с помощью диффузии или ионной имплантации в полупроводнике

Ф\ о

ВХОД

Рис. 5.5. ПЗС с двухтактным управлением, использующий идею «пожарной цепочки» [52]

создаются неглубокие р-п-переходы, над которыми на окисленной поверхности кремния асимметрично располагаются управляющие электроды. При подаче импульса напряжения на одну из тактовых шин одновременно происходит открывание каждого второго полевого транзистора и увеличение глубины потенциальных ям под протяженными участками управляющих электродов, на которые подано напряжение. Это и вызывает перемещение зарядовых пакетов из более мелких в соседние более глубокие потенциальные ямы.

Ввод и вывод информации в ПЗС. Ввод и вывод информа-

ции в ПЗС можно осуществить несколькими способами. Считывание информации на выходе ПЗС обычно производится электрическим способом, а ввод информации — либо электрическим, либо оптическим способом.

На рис. 5.6 показана схема задержки аналогового сигнала, построенная на основе ПЗС, в которой ввод и вывод информации осуществляется электрическим способом. Для этой цели в ней используются входной диод ID и выходной диод OD. Изменяя ток прямо смещенного входного диода, инжектирующего неосновные носители, можно управлять величиной заряда, который попадает в зарядовый пакет, формируемый под управляющим электродом фj. Далее эти пакеты перемещаются вдоль поверхности

320	Гл. 5. Приборы с зарядовой связью
полупроводника	с помощью системы управляющих электродов
02» Фз)> а затем вновь преобразуются в аналоговый сигнал
(импульсы тока) с помощью выходного диода OD, на который
подано обратное	смещение. Для корректного определения вели-

чины заряда в зарядовом пакете эти импульсы тока интегрируют с помощью специальной схемы зарядочувствительного усилителя на МОП-транзисторе, который создают при изготовлении П З С рядом с выходным диодом. Очень низкая емкость этой схемы обеспечивает существенное снижение уровня шума узла считывания 0 .

ID IG Ф\ Фъ Фг OG OD

входной	Ф\	выходной
затвор		затвор
J 1	J R Z R J	P

входной	выходной
диод	диод

Рис. 5.6. Устройство (а) и топология (б) схемы задержки аналогового сигнала. созданной на основе ПЗС с каналом п-типа [14]

К сожалению, способ ввода информации с помощью модуляции тока входного диода характеризуется невысокой линейностью и достаточно высоким уровнем шума. Поэтому был предложен целый ряд модификаций схемы входного узла. Эти вопросы детально рассмотрены в книге [212] и здесь мы лишь укажем на другой режим работы описанного входного узла, в котором управление величиной заряда в зарядовых пакетах осуществляется не модуляцией тока диода ID, а изменением потенциала на

') В ПЗС с объемным каналом шум узла считывания является основным источником шума приборов с зарядовой связью.

Гл. 5, Приборы с зарядовой связью

321

входном затворе IG (см. рис. 5.6) при фиксированной величине тока, протекающего через входной диод.

Описанный выше способ считывания информации с помощью обратно смещенного р-п-перехода обладает одним существенным недостатком: он является разрушающим, то есть после собирания заряда р-п-переходом зарядовый пакет исчезает. В то же время при построении сложных схем обработки сигналов желательно использовать такой способ измерения сигнального заряда, при котором сам зарядовый пакет оставался бы неизмен-

ным {неразрутающий метод считывания). Осуществить это

можно введением в структуру ПЗС «плавающего затвора» (см. рис. 5.7). Проходящий под плавающим затвором зарядовый пакет наводит на нем потенциал, пропорциональный величине заряда. Плавающий затвор подключен к затвору расположенного рядом МОП-транзистора, на выходе которого и формируется импульс напряжения, пропорциональный величине сигнального заряда.

Приемники изображения на ПЗС. Ввод информации в при-

борах с зарядовой связью можно осуществлять не только электрическим способом, но и с помощью света. Последняя возможность оказывается особенно интересной и может быть использована для построения целого класса фоточувствительных приборов на ПЗС — приемников изображения [216, 217]. Работа этих приборов основана на том, что возбуждаемые при поглощении света электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем области пространственного заряда МОПконденсатора, причем неосновные носители затягиваются в потенциальные ямы, где за время экспозиции накапливается заряд, точно пропорциональный интенсивности света, падающего на данный участок поверхности полупроводника.

По способу ввода информации в приемники изображения их подразделяют на одномерные (линейные) и двумерные. Одномерные приемники более просты: они представляют собой линейку ПЗС, на которую проецируется изображение, механически сканируемое в направлении, перпендикулярном линейке. Такие приемники находят широкое применение в сканерах и аппаратах факсимильной связи.

Число фоточувствительных элементов в	линейке зависит от
области применения. Так, в современных	сканерах	их число
находится в пределах 5 - 2 0 тысяч, хотя в	некоторых	сканерах

число элементов может превышать 100 тысяч. Для обработки цветных изображений в сканерах используется блок из трех

11 А.И. Лебедев