Оптические вычисления - Арратуна Р.
Скачать (прямая ссылка):
температуре составляет около 10 с. Ясно, что ловушка этого типа не будет
оказывать влияние на работу устройства в такой же значительной степени,
как ловушка, имеющая время эмиссии порядка периода тактового цикла. В
настоящее время природа ловушечных эффектов в ПЗС-структурах на GaAs в
основном не исследована.
3.3.1. Обсуждение конструкций с высоким быстродействием
Ясно, что при больших скоростях работы носители в канале ПЗС-структур
должны испытывать влияние значительной компоненты поля Е, параллельной
направлению переноса. Численные расчеты показывают, что максимум поля,
переносящего заряд, возникает на расстоянии около 0,4 L в глубь канала,
где L - длина затвора [25]. Наоборот, это поле стремится иметь низкие
значения под центром затвора вблизи поверхности полупроводника из-за
закорачивающего действия металла. Это предполагает, что при работе с
большими скоростями канальный слой должен быть довольно толстым, обычно
микрон или более. Однако использование толстого слоя вступает в
противоречие с двумя другими аспектами конструкции устройства. Во-первых,
толстый слой будет иметь в соответствии с уравнением (3.2) высокое
напряжение отсечки, и это сделает необходимым соответственно высокий
размах тактовых напряжений. Напряжение отсечки может быть уменьшено при
снижении N, но за счет приносимой в жертву емкости, определяемой зарядом
(пропорциональной NT) и, следовательно, динамического диапазона. Вторая
проблема состоит в том, что для работы с большой скоростью размещенные на
чипе вспомогательные цепи, такие как выходные полевые транзисторы или
формирователи тактовых импульсов, требуют применения тонких канальных
слоев. На рис. 3.11 изображены эти противоречивые требования к н-слою с
концентрацией доноров N на полубесконечной подложке. Кривая В - это линия
постоянного напряжения отсечки, составляющего 3,5 В. Это значение выбрано
потому, что для применений при гигагерцевых тактовых частотах
максимальный размах тактового напряжения не должен выходить за пределы от
5 до 7 В. Кривые постоянной, определяемой зарядом емкости NT, показаны
пунктирными линиями, и ясно, что динамический диапазон быстро уменьшается
для толстых слоев. Участок, обозначенный А, однако, является типичной
областью параметров для конструкций полевых транзисторов на широкозонном
GaAs и, следовательно, является желательной областью режимов для
вспомогательных электронных цепей- на полевых транзисторах. Таким
образом, требования к ПЗС-Струк-
Глава 3. Компоненты оптического процессора на основе ПЗС
91
турам и полевым транзисторам взаимно удовлетворены для тонких
сильнолегированных слоев. Проблема с областью А состоит в' том, что слои
указанной толщины требуют использования длин затворов ПЗС-структур,
нереально малых для работы при гигагерцевых тактовых частотах.
Для одновременного удовлетворения требований к материалу, заданных
областью А на рис. 3.11, и обеспечения высоких тактовых скоростей без
использования чрезмерно коротких затворных площадок была разработана
структура затворов, которая отличается от вышеуказанной. Эта структура
называется ПЗС-структурой с резистивными затворами и приведена на рис.
3.12 [13]. Затворные электроды состоят из узких металлических полосок,
разделенных сравнительно широкими промежутками с нанесенной сверху
дополнительной резистивной пленкой. Резистивная пленка должна
удовлетворять тем же требованиям, что и металл, а именно образовывать
хороший барьер Шоттки с полупроводником. Подходящие материалы включают
керметы и силициды тугоплавких металлов. Цель этого подхода состоит в
том, чтобы гарантировать наличие сильного горизонтального электрического
поля вблизи поверхности. В дополнение этот метод позволяет избежать
неконтролируемых полей в канале в междуэлектродных зазорах, характерных
для описанных выше традиционных структур.
На рис. 3.13 показаны расчетные зависимости времен, необходимых для
переноса заряда с эффективностью в 99,99%, от толщины Т п-слоя.
Представлены данные для двух структур с проводящими затворами и одной
структуры с резистивными затворами. Заштрихованная область указывает
диапазон величин Т, желательный для обеспечения работы полевых
транзисторов на высоких частотах. Видно, что устройства с резистивным
затвором имеют лучшие характеристики, особенно при меньших толщинах слоя.
Заметим, что четырехфазное устройство с Г = 0,25 мкм могло бы иметь время
переноса менее 250 пс для тактовых частот более 1 ГГц. Эта цифра также
учитывает фактор заполнения Qf, представляющий отношение фактической
емкости заряда, деленной на полный заряд донорных центров под двумя
затворами, и показывающий, что устройства с резистивным затвором также
имеют более высокую емкость заряда для тонких слоев. Недавно полученные
экспериментальные результаты для этих устройств дали значение
эффективности переноса заряда более 0,99 при 2,5 ГГц [27].
3.4. Применение ПЗС в качестве выходных устройств ЭООС
В разд. -3.2 было указано, что в системах ЭООС выходными устройствами
