Устройство МДП-структур и их энергетическая диаграмма

Структуры металл - диэлектрик - полупроводник, или сокращенно МДП-структуры, широким интересом к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля, таких как приборы с зарядовой связью, полевые транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с плавающим затвором и т.п. МДП-структуры позволяют анализировать основные процессы, протекающие втакого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами исследования. Устройство МДП-структуры следует из ее названия.

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют окислы, поэтому вместо МДП употребляется название МОП-структура [14, 11, 13]. Итак, МДП-структура, приведенная на рисунке 3.10, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.

Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

ПЗС-фотоприемник (ФПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл—диэлектрик—полупроводник), выполнен­ных на одном кристалле и образующих систему элементарных кон­денсаторов. В ПЗС-структуре осуществляется: формирование зарядного рельефа, адекватного распределению освещенности на фоточувствительной поверхности, хранение и перенос зарядо­вого рельефа в сторону выходного устройства, а также детектиро­вание зарядов, т. е. преобразование пространственных зарядов в выходное напряжение видеосигнала. Таким образом, ФПЗС выполняет одновременно функции приемника и анализатора оп­тического изображения.

Благодаря регулярности структуры, на одном кристалле ФПЗС удаётся разместить большое число (до 1 и более миллионов) элементов.

 

1 Общие сведения о приборе с зарядовой связью (ПЗС)

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл — диэлектрик— полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис.1). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур [1—3].

Между 1 и 2 ширина 1 мкм.

а- входная секция (запись), б -выходная секция считывание, о - исток входной секции

1-затвор входной секции, 2-3 – электроды, 4 затвор выходной секции, 5- выходной сигнал

 

Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение*), то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности в глубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик — полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.

Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента (электрод 1 на рис.1), либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода (электрод п на рис.1.). Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые на границе диэлектрик n-подложка, в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов.

Естественно, что заряд, введенный в МДП-структуру, не может храниться в ней неограниченно долго. Процесс термогенерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводника и на границе раздела диэлектрик — полупроводник ведет к накоплению в потенциальных ямах паразитных зарядов и, следовательно, к искажению зарядовой информации, а с течением времени и к полному ее «стиранию». Это время может достигать сотен миллисекунд и даже десятков секунд, но, тем не менее, оно конечно и определяет существование нижней граничной частотьг. Таким образом, работа прибора основана на нестационарном состоянии МДП-структуры, и ПЗС являются элементами динамического типа.

Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд очень интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов.

К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относятся возможность хранения, зарядовой информации; возможность направленной передачи зарядов вдоль поверхности полупроводникового кристалла; возможность преобразования светового потока в электрический заряд и последующего его считывания (сканирования). Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность (5—10 мкВт/бит в режиме передачи информации и практически полное отсутствие затрат энергии в режиме хранения), что обусловлено МДП-структурой этих устройств. Простота конфигурации и регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этих приборов может быть очень высоким (у специально сконструированных образцов предельные тактовые частоты лежат в гигагерцевом диапазоне).

Пожалуй, еще более важными являются конструктивно-технологические достоинства ПЗС, основными из которых являются технологическая ясность и простота (малое число фотолитографических, термодиффузионных и эпитаксиальных процессов при изготовлении прибора) — обязательное условие при создании качественных многоэлементных (с числом элементов 104—106) устройств; высокая степень интеграции (превышающая 105 элементов на одном кристалле) и высокая плотность упаковки (более 105 бит/см2); малое количество внешних выводов, что является определяющим при построении высоконадежных систем; отсутствие p-n-переходов (немногочисленные p-n-переходы ПЗС выполняют «подсобные» функции и к ним предъявляются достаточно «слабые» требования), что, в частности, открывает широкие возможности для использования наряду с кремнием других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия).

Все эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС.

Для цифровой техники интересны сдвиговые регистры, оперативные запоминающие устройства, логические схемы. Линии задержки аналоговых сигналов на ПЗС по техническим характеристикам значительно превосходят свои акустические и магнитные аналоги.

В оптоэлектронной технике преобразования изображений ПЗС открывают принципиальные новые возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом. ПЗС являются уникальными аналогами ЭЛТ, позволяющими одновременно с уменьшением массы, габаритных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и качество формирователей видеосигналов. Дополнительное достоинство фотоприемников на основе ПЗС заключается в принципиальной возможности использовать разнообразные полупроводниковые материалы, что позволит перекрыть широкую область электромагнитного спектра (включая и ИК область).

Создание передающих телевизионных камер на основе ПЗС приведет в будущем не только к оснащению техники надежным «электронным глазом» (отметим, что в проекте создания средств искусственного зрения для человека ориентация делается также на ПЗС), но и к действительно широкому использованию средств телевидения в быту.

Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световой поток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерация электронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяются и в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемого заряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени (порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, в матрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующая распределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакеты будут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их в электрические сигналы. В результате на выходе получится последовательность импульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.

Прибор с зарядовой связью

У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик —полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое. Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p- -переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента (электрод 1 на рис.1), либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p- -перехода (электрод п на рис.1.). Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности при последовательной подаче внешнего напряжения на контакт.

Таким образом, линейка ПЗС позволяет распределение освещенности в строке изображения объекта превращать в зарядовые пакеты носителей, хранить зарядовую информацию и преобразовывать ее в видеосигнал при последовательной смене потенциалов(на так называемых «ламелях»).за счет формирования сдвигового регистра ПЗС. Наибольшее распространение получили перемещающие заряд регистры (рис 1.3.), образованные тремя электродами, соединенными токопроводящими шинами и образующими трехфазную электродную систему, так как они контролируют направление перемещение заряда всего тремя значениями величины напряжения.

Б) перенос зарядов от главной цепи

В) заряды находятся под электродами ламелями

Г) заряды перенесены под следующая ламель 1.

В рассматриваемых случаях первоначально отрицательно отрицательный, положительный в случае Б подложки, потенциал подан на ламель 2, а на ламелях 1 и 3, он низкий (случай А)

 

По истечению некоторого времени, когда под действием локальной освещённости от объектаКогда под ламелью 2 накопятся заряды, высокий потенциал с нее снимается и переносится на ламель 3, т.е. \U3\ >\U1\,которое не равно \U2\. Заряды перетекут в потенциальную яму под ламелью 3 одновременно во всех элементах сдвигового регистра. Налево они не потекут, так как\U1<\U2\,(случай Б.).

Далее высокий отрицательный потенциал с ламели 3 переключается на ламель 1, все заряды одновременно переносятся вправо ещё на один шаг (случай Г).

Затем с ламели 1 на ламель 2 и так далее.

По ширине линейки делают «стоп - каналы» диэлектрического типа, не позволяющие зарядам растекаться в стороны.

За время накопления в потенциальных ямах появятся заряды, пропорциональные распределению освещенности на поверхности ПЗС.

В элементе № 3, на который спроецировано яркое поле, заряд будет большим, в элементе №2 (серое поле) - меньше, а в элементах № 1 и № 4 (темные поля) - накопятся только термогенерированнныеносители. Естественно, что терм генерированные носители попадут во все потенциальные ямы и составят паразитную добавку к информационным зарядам, создаваемым светом. Отношение заряда термогенерированных носителей к времени накопления называют темновым током

НЕДОСТАТОК СЧИТЫВАНИЯ ЛИНЕЙКИ ПЗС, приводит к возможному переполнения потенциальных ям, поразительная засветка элментов ПЗС.

Для устранения недостатка экраном перекрывают световой поток, на момент считывания и разделяют процессы накопления и считывания в структуре формирователя видеосигнала – ФВС, подключают фоточувствительный накопительный ПЗС регистр. Через затвор параллельного переноса считывающего ПЗС регистру сдвига – А, защищённому от воздействия света экраном 1.

Организация одно регистрового А, и двух регистрого Б, линейных ПВС:

1,4,5 – света непроницаемый экраны под которыми находятся резисторы считывания А и Б.

2,3,6 – затвор передач

При большом числе элементов, ставят два ПЗС регистра считывания А и Б, что уменьшает число переносов, улучшает качество считывания и упрощает технологию изготовления. При разделении функции накопления и считывания, получается большое отношение периода накопления к периоду считывания, так как после передачи накопленного сигнала, одной строки в считывающего регистра обе функции выполняются параллельно, что осуществимо при использовании одного ПЗС.

Из НДП элементов изготавливают двумерные матрицы ФПЗС, в которых каждый света чувствительный регистром, соединён с элементом сдвигового регистра, выводящие зарядовые ракеты, выходной регистром не должен быть светочувствительным, так как выполняет только функции пере

 

 

30. ПЗИ: отличие от ПЗС, принцип работы

 

Приборы с зарядовой инжекцией – ПЗИ

Такими приборами называют твердотельные приёмники изображения с поверхностным каналом, в котором для считывания хранения и сканирования используют инжекцию перенос заряда внутри отдельных светочувствительных ячеек.

По своей структуре ячейки ПЗИ аналогичным ПЗС, однако считывание сигнального заряда считывание сигнального заряда в ПЗИ происходит в той же приёмной ячейки где он был генерирован и ПЗИ не содержит дополнительных элементов, предназначенных для переноса заряда, а инжекция заряда в полупроводниковую подложку служит для освобождения фотоприёмных ячеек, от ранее накопленного сигнального заряда или для считывания.

Ячейки ПЗИ могут работать как развёртывающие строчные приёмники с линейной адресацией или как матричные с координатной адресацией. В строчных ПЗИ приёмниках изображения в качестве ячейки используют обычный МОП конденсатор и операция переноса отсутствует. В матричных ПЗИ приёмниках – МПЗИ, для считывания двумерного изображения с x-y – адресацией необходим по крайней мере один перенос заряда, поэтому их работоспособность зависит от качества границы раздела.

Чувствительная ячейка с x-y адресацией:

А) стадия накопления

Б) полу выборки

В) процесс инжекции

Каждая ячейка МПЗИ состоит из двух МОП конденсаторов, связанных между собой так, что бы накопленный заряд мог передаваться от одного конденсатора к другому, связь между ячейками обеспечивают при узком меж электродном зазоре силы поля или за счёт дополнительного легирования подложки, в окрестности межэлектродного зазора случай А, такая ячейка обеспечивает перетекание из ячейки x сигнального заряда в ячейку y и хранения его там, когда напряжение Vx равняется 0 случай Б. Инжекция зарядов в подложку (процесс инжекционное считывание), происходит только из того чувствительного элемента, у которого напряжение отсутствует на обоих электронах случай В, что позволяет осуществлять двумерное x-y сканирование в любом порядке. Последовательное считывание изображения по строкам и столбцам, осуществляют с помощью сдвигающих МОП регистров расположенных по обоим краям матрицы. Инжектированные в подложку при считывании не основные носители рекомбинируют, поэтому длительность импульса инжекции не превышает врем жизни носителей,что увеличивает инерционность МПЗИ. Кроме того такие МПЗИ на однородной подложке обладают недостаточной плотностью чувствительных элементов, так как расстояние между элементами, должно быть больше диффузионной длины неосновных носителей, что бы носители не перетекали в соседние ячейки и не ухудшалась разрешающая способность.