Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
МДП-структуры. Приборы с аарядовой связью 443
регистр некоторое количество фонового (опорного) заряда - так называемый
"непустой нуль". При этом поверхностные ловушки оказываются постоянно
заполненными электронами из "непустого нуля", что значительно снижает
степень их взаимодействия с сигнальным зарядом. Характерная величина
заряда такого "непустого нуля" обычно на.практике составляет 10- 25 %
полной емкости потенциальной ямы. Главный недостаток такого способа
увеличения эффективности переноса заключается в соответствующем
уменьшении динамического диапазона прибора.
При малых тактовых частотах главным фактором, определяющим
работоспособность ПЗС, является темновой ток прибора. Плотность темнового
тока можно записать в следующем виде [11]:
Л
qriiW qDn
2х
Ln Na
ni , qS0tii i о
(68)
Здесь первое слагаемое - ток, обусловленный объемной генерацией в
обедненном слое; второе слагаемое - диффузионный ток генерации неосновных
носителей в электронейтральной части подложки, поступающий через область
обеднения в инверсионный слой; последнее слагаемое - ток поверхностной
генерации; т - время жизни неосновных носителей; Dn - коэффициент
диффузии; Ln - диффузионная длина; S0 - скорость поверхностной
рекомбинации.
Процесс релаксации состояния глубокого обеднения МОП-структуры,
обусловленный темновым током [64], показан на рис. 49. В начальный момент
времени передний фронт импульса напряжения на затворе VG быстро переводит
МОП-струк-
CfCi C/Cl
-аккум.
Высокочастотная п г кривая '
\__________
Глубокое
обеднение (V6~Vra)
20 \40 60
Г,Ш?
а
Рис. 49. Зависимость емкости МДП-структуры от напряжения и времени при
импульсном смещении в режим глубокого обеднения [64].
а - нормированная емкость в зависимости от напряжения на затворе; б -
нормированная емкость в зависимости от времени.
444
Глава 7
туру из режима аккумуляции в режим глубокого обеднения (рис. 49, а). С
течением времени ток термогенерации постепенно заполняет потенциальную
яму неосновными носителями, поверхностный потенциал уменьшается, а
емкость структуры растет, асимптотически приближаясь к величине,
соответствующей стационарному режиму инверсии (рис. 49, б). Характерная
длительность этого процесса т5 зависит от скорости термогенерации
неосновных носителей, т. е. от величины темнового тока. Для Si - Si02-
cncTeM типичные значения т5 составляют 10_3-10~2 с. Ясно, что для
работоспособности ПЗС тактовая частота f должна быть достаточно велика,
чтобы дополнительный заряд, поступающий в сигнальный пакет при его
прохождении через ПЗС-ре-гистр за счет темнового тока
Qt = AJrNlpf, (69)
не превышал соответствующей доли максимального сигнального заряда
<2макс = ЛСг-Д\|)5. (70)
В этих выражениях А - площадь затвора, N - полное число электродов ПЗС-
регистра, р - число фаз (в примере на рис. 42 N = 6, р = 3), Ai|)s -
максимально допустимый перепад поверхностного потенциала в канале.
Следовательно,
Qt/Qmbkc = JTN/(pfCi Дф5). (71)
Если это отношение равно 10~3, то для 128-затворного трехфазного ПЗС (N =
128) при толщине слоя затворного окисла 0,1 мкм /т = 10~9 А-Ьм-2 и Аф^ =
5 В. Низкочастотный предел тактовой частоты, обусловленный темновым
током, составляет ~1 кГц.
В цифровых устройствах на ПЗС сигнальный заряд определенной величины
соответствует 1, а пустая яма 0. На рис. 50 приведена частотная
зависимость нормированной допустимой (наи-
Рис. 50. Частотная характеристика ПЗС с поверхностным каналом [65].
МЦП-структуры. Приборы с зарядовой связью
445
Деградация единичного пакета 1 ом 1 0,J_ L 0,z
L 0,J_
L 0,5
ь._ 0,7
¦l- 1,0
¦Иа-_ 2,0
W
Частота входного сигнала по отношению к^такгповой частоте
Рис. 51. Частотно-контрастные характеристики и пространственное
разрешение в ПЗС для различных значений неэффективности Л/е [60].
худшей) разности между 1 и 0, которая равна (1^ - 0WC)/1SS> Поскольку эта
разность непосредственно связана с эффективностью переноса заряда,
приведенные данные означают, что величина эффективности переноса
характеризует работоспособность ПЗС в широком диапазоне тактовых частот.
Низкочастотный завал частотной характеристики обусловлен встраиванием
дополнительного (за счет темнового тока) заряда в сигнальные пакеты, что,
естественно, искажает амплитуду передаваемых сигналов. Ее высокочастотный
спад обусловлен резким уменьшением эффективности переноса, когда
длительность тактового импульса оказывается недостаточной для полного
перетекания сигнального заряда из-под одного затвора под другой.
Для улучшения низкочастотных свойств ПЗС следует уменьшать все компоненты
темнового тока, увеличивая время жизни, диффузионную длину и снижая
скорость поверхностной рекомбинации. Для расширения рабочего диапазона
ПЗС в сторону высоких частот можно уменьшать длину затвора L,
использовать "-канальные структуры (поскольку подвижность электронов
выше, чем у дырок) и уменьшать межэлектродный зазор. Перспективным для
создания сверхвысокоскоростных ПЗС является использование GaAs из-за
