Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектронники

В результате создания подобной структуры и ее функционирования МДП-конденсаторы можно использовать в качестве запоминающего устройства. Для этого необходимо инжектировать под электрод зарядовые пакеты, пропорциональные амплитудам отсчетов входного сигнала, и передавать информацию от одного конденсатора к другому с минимальными потерями. Следовательно, устройство должно работать в динамическом режиме и обеспечивать на выходе преобразование зарядового пакета в электрический потенциал. Приемник изображения, который эффективно используется в фото- и видеокамерах, представляет собой двухмерную матрицу из ПЗС-элементов.

В основе работы таких ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда: электрон и дырка. Электростатическое поле в области пиксела «растаскивает» эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда — электроны — будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и Электроны не рекомбинируют.

Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся (диффундируют) и обычно рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается.

Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен. ПЗС обладает замечательным свойством — само- сканированием, которое заключается в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трех электродов или тактовых шин (один передающий электрод, один принимающий электрод и один изолирующий электрод, разделяющий принимающий и передающий электроды друг от друга). Одноименные электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода. Таким образом, реализуется простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС.

Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений: влево или вправо. Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двухмерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп- каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп-каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Типичная ПЗС-матрица создается следующим образом. На полупроводниковой подложке (например, p-типа проводимости) формируется тонкий (0,10...0,15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов (из металла или поликристаллического кремния). Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами настолько малы, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Схема такой матрицы показана на рис. 3.14, а. Принцип работы ПЗС, как отмечалось ранее, основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений.

Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение, то в МДП-структуре возникнет электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уйдут от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители заряда (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо (например, тепловых) процессов или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела полупроводник—диэлектрик и локализоваться в узком (порядка 0,01 мкм) инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля.

Рис. 3.14. Схема матрицы МДП-ячеек ПЗС-структуры с каналом р-типа: а — поперечный разрез: I — А1; 2 — Si; 6 — три соседние ячейки в качестве сдвигового регистра заряда

Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.

Через некоторое время после приложения напряжения МДП- структура переходит в состояние термодинамического равновесия, характеризующегося образованием стационарного инверсного слоя, концентрация носителей в котором постоянна во времени. В ПЗС используется нестационарное состояние МДП-струк- туры. Так как скорость термогенерации носителей мала, потенциальную яму МДП-структуры можно использовать для временного хранения сигнальных зарядовых пакетов. Максимальное время хранения в основном ограничено процессами термогенерации электронно-дырочных пар на поверхности и обедненном слое.

Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает сигнальный, соответствующий хранению цифровой или аналоговой информации. Максимальное время хранения определяется как свойствами полупроводника, так и допустимой степенью искажений; оно составляет в реальных устройствах (без принудительного охлаждения) единицы или десятки миллисекунд.

На рис. 3.14, а показаны два р — n-перехода, которые служат для ввода и съема сигнала. Между переходами располагается n-область, па поверхности которой создается потенциальная яма, перемещающаяся вдоль подложки. Имеется также система металлических электродов (затворов), которые соединены с источниками напряжений . Предположим, что в область подложки, расположенной под первым электродом, инжектирован положительный заряд неосновных носителей (пакет зарядов). Если другие электроды находятся под напряжением выше порогового, то данный пакет зарядов перемещается вдоль подложки под действием электрического поля, созданного трехфазной системой напряжений. Поэтому цепочка ячеек ПЗС работает подобно регистру сдвига. Как видно из рис. 3.14, б, для направленного перемещения пакета зарядов необходимо иметь три отрицательных напряжения, удовлетворяющих неравенствам > > . При этом самый низкий потенциал Us определяет глубину потенциальной ямы.

Каждому импульсу управляющего напряжения соответствует определенный квазиуровень Ферми неосновных носителей в подложке. Носители перемещаются вдоль подложки вправо до тех пор, пока не достигнут области потенциальной ямы £/₃, в которой накапливается заряд:

                              Q_s=(U_s-U_отс),                                          (3.14)

где С₀— емкость, обусловленная оксидным слоем; U_s — потенциал поверхности подложки под электродом с напряжением U₃ при условии, что в потенциальной яме содержится заряд; U_отс— потенциал под электродом с напряжением U₃ при отсутствии заряда, играющий роль отсчетного уровня.

ПЗС обладает способностью запоминать информацию, так как наличию или отсутствию заряда в определенной точке соответствует одна двоичная единица. Процесс переноса заряда подчиняется обычным законам дрейфа и диффузии. Поэтому в одномерном случае имеем

(3.15)

где — подвижность дырок; D_p— коэффициент диффузии дырок.

Большое влияние на работу ПЗС оказывает расстояние между соседними затворами. Это расстояние желательно сокращать, обеспечивая при этом конфигурацию поля, необходимую для процесса управления переносом заряда. ПЗС представляет собой совокупность МДП-структур, сформированных на подложке таким образом, что они оказывают взаимное влияние друг на друга вследствие взаимодействия приложенных внешних электрических полей. Взаимодействие соседних потенциальных ям возникает либо благодаря малому (0,1... 1,0 мкм) расстоянию между соседними электродами, либо при создании специальных легированных областей, сформированных в полупроводнике и электрически связывающих соседние потенциальные ямы.

Можно сказать, что потенциальные ямы объединяются и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если ее потенциал выше. Благодаря взаимодействию соседних потенциальных ям можно осуществлять направленную передачу зарядов. Процессом такой передачи управляют специальные периодические последовательности электрических импульсов, подаваемые на электроды.

Если ПЗС осветить, то поглощаемые в полупроводнике фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обедненном слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника. Величина зарядового пакета, накапливаемая в данном элементе, в первом приближении пропорциональна усредненному по площади элемента потоку фотонов и времени накопления. Использование ПЗС в астрономической практике в условиях низкой освещенности для фиксации света звездных объектов обычно требует большего времени накопления сигнала (секунды и десятки секунд). Для ослабления влияния термогенерации паразитного сигнала в этих случаях необходимо охлаждать приемник. Для бытовых целей и забавных «игрушек» типа мобильного телефона с фото- или видеокамерой ничего охлаждать не нужно.

Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95...98%, т.е. практически каждый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100%-й вероятностью. Как и другие полупроводниковые детекторы, ПЗС имеют определенную область спектральной чувствительности. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница равна 0,4...0,5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в тонком приповерхностном слое, в котором одновременно с фотогенерацией носителей интенсивно происходит их рекомбинация. Фоточувствительные ПЗС принципиально могут быть реализованы на разнообразных полупроводниковых материалах (с разной шириной запрещенной зоны), что позволяет перекрыть широкую область спектра, включая инфракрасный диапазон.

6. Инверторы

Развитие микроэлектроники привело к резкому удешевлению производимых микросхем и сокращению их номенклатуры. Это связано с тем, что малейшее изменение в интегральной схеме приводит к необходимости изменять всю технологическую цепь, поскольку методы обработки подложек относятся к числу групповых методов. Исчезло великое разнообразие схемных решений, реализуемых на дискретных элементах, поскольку изменение схемы, даже самое незначительное, приводит к необходимости пересматривать весь производственный цикл. К тому же экономически выгодным производство интегральных схем становится только при массовых тиражах.

В настоящее время принято подразделять электронные схемы на два класса: цифровые и аналоговые. В основе аналоговых схем лежат усилительные элементы, обрабатывающие и преобразующие непрерывно и квазимонотонно меняющийся электрический сигнал. Такие схемы иногда называют линейными, или квазилинейными. Входные и выходные сигналы в них могут принимать любые значения и связаны друг с другом функциональной зависимостью.

В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи, лля которых характерно наличие двух устойчивых состояний: разомкнутого и замкнутого. На основе их реализуются простейшие электронные схемы, называемые инверторами, в которых входной сигнал тем или иным способом преобразуется из одного дискретного состояния в другое. Чаще всего для этих целей используются значения низкого и высокого напряжения. Наличие в транзисторном ключе двух устойчивых состояний позволяет реализовать двоичную математическую логику, основанную на двоичной системе счисления. Если в логической схеме они отображают значения 0 и 1, то принято говорить, что такая схема реализует положительную логику; если наоборот, — отрицательную.

Из существования двух устойчивых состояний следует, что цифровые схемы мало чувствительны к разбросу параметров, температурным и временным зависимостям, внешним помехам и внутренним шумам, что является колоссальным преимуществом. Рассмотрим простейшую схему, реализованную на n-канальном полевом транзисторе (рис. 3.15). В этой схеме исток заземлен, а сток подсоединен к источнику питания через на- грузочный резистор. Подложка полевого транзистора обычно заземлена или подсоединена к источнику постоянного напряжения смещения. Для получения низкого напряжения

на выходе (логического нуля) необходимо, чтобы сопротивление резистора было намного больше сопротивления МДП-транзистора в открытом состоянии. Для этой цели иногда вместо резистора ставят МДП-транзистор, работающий в нагрузочном режиме (это также выгодно технологически). Такая схема из активного и нагрузочного транзисторов называется МДП-ячейкой, или МДП-вентилем.

Рассмотрим работу схемы инвертора, приведенную на рис. 3.15. При подаче напряжения на затвор полевого транзистора через схему протекает ток, поэтому напряжение на выходе равно нулю, т.е. при подаче на вход логической единицы на выходе имеем логический нуль. При отсутствии на затворе напряжения ток через схему не течет и на выходе имеем напряжение питающей шины, т.е. при подаче на вход логического нуля на выходе имеем логическую единицу. Для более сложных логических схем пользуются таблицами истинности, в которых последний столбец показывает сигнал на выходе логической схемы, а предыдущие — комбинацию сигналов на входе.

Поскольку реальная схема не идеальна, напряжение на выходе не равно нулю, а имеет небольшое значение. Поэтому необходимо определить его пороговую величину, которая будет соответствовать логическому нулю. В схемах логические нули и единицы обычно представлены разными значениями напряжения: напряжением или уровнем нуля и напряжением или уровнем единицы. Разность уровней единицы и нуля называется логическим переходом. Он должен быть настолько большим, чтобы можно было исключить влияние случайных помех.