Автор работы: Пользователь скрыл имя, 12 Декабря 2012 в 19:13, курс лекций
С одной стороны, электронные состояния в твердых телах имеют существенное сходство с состояниями электронов в свободных атомах, поскольку взаимодействия между электронами соседних атомов не могут полностью разрушить исходную структуру электронных уровней отдельных атомов. С другой стороны, взаимодействия между атомами достаточно сильны для того, чтобы вызвать серьезное возмущение уровней свободных атомов, поэтому в кристаллах наблюдается ряд новых специфических явлений. Наиболее существенным из них является расщепление энергетических уровней валентных электронов свободных атомов в почти непрерывные энергетические полосы.
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 внутре
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 электрод
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
Если к какому-либо электроду приложить положитель
Рис. 3.14. Схема матрицы МДП-ячеек ПЗС-ст
Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.
Через некоторое время после приложен
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:
Qs=(Us-Uотс), (3.14)
где С0— емкость, обусловленная оксидным слоем; Us — потенциал поверхности подложки под электродом с напряжением U3 при условии, что в потенциальной яме содержится заряд; Uотс— 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; Dp— 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 объединя
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 полу
Развитие микроэлектроники привело к резкому удешевлению
В настоящее время принято подраз
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
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.
Информация о работе Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектронники