.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Транзисторы с зарядовой связью (ТЗС)

Принцип работы ТЗС, подобно ПЗС, основан на хранении и движении заряда в приповерхностном слое полупроводника. В отличие от ПЗС, в ТЗС этот процесс переноса заряда контролируется дополнительным электродом, расположенным в промежутке между принимающим и передающим.

На рисунке 3.40 показаны структура и обозначение ТЗС, используемые в принципиальных электрических схемах. Три электрода прибора представлены электродом источника (1), передающим электродом (2), электродом приемника (3). Область полупроводника, находящуюся под электродами источника и приемника, называют соответственно источником и приемником. Горизонтальная линия обозначает поверхность полупроводника. Электрод 4 обозначает подложку, стрелка на которой указывает на тип полупроводника, используемого в качестве подложки (обозначение на рис. 3.40, б соответствует подложке n-типа).

Процесс передачи заряда иллюстрируется рисунком 3.41. В момент времени, предшествующий передаче заряда от источника к приемнику (рис. 3.341, а), напряжение на источнике обеспечивает режим хранения заряда под этим электродом, а напряжение на приемнике должно быть более высоким, с тем чтобы гарантировать переход заряда под электрод приемника. Напряжение на передающем электроде установлено равным нулю, области полупроводника под источником и приемником изолированы и перетекание заряда исключено.


Для передачи заряда от источника к приемнику на передающий электрод подается напряжение смещения (см. рис. 3.41, б), так что источник и приемник электрически соединяются. По мере перетекания заряда потенциал участка поверхности управляемого электродом источника понижается. При этом если напряжение на передающем электроде по абсолютной величине меньше напряжения на электроде источника, то полное перетекание заряда невозможно и процесс заканчивается в момент времени, когда дальнейшее уменьшение заряда под источником должно сопровождаться возникновением электрического барьера между областями, контролируемыми передающим электродом и источником. Следовательно, передача информации в ТЗС может происходить на фоне определенного заряда. Это обстоятельство позволяет, во-первых, уменьшить неэффективность передачи заряда, обусловленную захватом носителей поверхностными состояниями, и, во-вторых, увеличить скорость передачи заряда. Увеличение быстродействия следует из того факта, что при неполной, передаче заряда скорость переноса носителей определяется дрейфовым потоком, обусловленным наличием поля Еун. Для приборов с короткой длиной канала этот фактор не является главным, так как в них процесс передачи заряда в значительной мере определяется краевым полем Еyu.

Когда процесс передачи заряда заканчивается, напряжение на передающем электроде вновь становится равным нулю, а источник и приемник оказываются электрически изолированными (рис. 3.41, в).

В схемах ТЗС соединяются между собой последовательно таким образом, что электрод источника рассматриваемого ТЗС одновременно является электродом приемника предыдущего ТЗС, а электрод приемника — электродом источника последующего ТЗС. Поэтому, когда на передающие электроды ТЗС, примыкающие к рассматриваемому прибору, подается напряжение, источник и приемник данного ТЗС соответственно становятся приемником предыдущего и источником последующего приборов. При этом, естественно, соответствующим образом изменяются напряжения, а значит, и потенциальные ямы под этими электродами. Процесс передачи заряда в ТЗС, примыкающие к рассматриваемому, иллюстрирует рисунок 3.41, г.

Важной особенностью ТЗС является способность прибора усиливать напряжение передающего электрода, Усилением напряжения можно управлять путем выбора отношения площадей электродов источника и приемника. Так, если площадь приемника не равна площади источника, то перетекание заряда из источника к приемнику будет сопровождаться неодинаковым изме-нением напряжения на этих электродах; эти изменения находятся в обратной зависимости от емкостей источника и приемника.

 

«Пожарные» МДП-цепочки

Хранение и передачу информации можно осуществить при помощи цепочки, состоящей из МДП транзисторов и МДП-конденсаторов, которые получили название «пожарных цепочек». На рисунке. 3.42, а показана схема части пожарной цепочки. Элемент, выделенный штриховыми линиями, представляет собой МДП- транзистор с емкостной связью электродов затвора и стока. Необходимая емкостная связь обеспечивается перекрытием этих электродов (рис. 3.42, б). Каждый элемент нагружен на аналогичный, поэтому емкости узлов А, Б, В одинаковы. Для анализа передачи цифровой информации от одного элемента к другому полагается, что логическому нулю соответствует нулевое напряжение, логической единице — напряжение U1 ≤ (Еф – Uо), где Еф — амплитуда фазного тактового импульса.

На рисунке 3.43 изображены временные диаграммы перезаписи логического состояния из узла А в узел Б подачей одного тактирующего сигнала последовательности Ф1 с уровнем Еф>Uо.

Рисунком 3.43, а иллюстрируется передача состояния лог. 0 (U0 = 0) из узла А в узел Б при подаче тактирующего сигнала Ф1. В результате, после завершения тактирующего сигнала, в узел Б переместится низкий уровень U0 из узла А. В узле А установится уровень U1 = Еф – Uo.

Аналогично на рисунке 3.43, б изображена передача состояния лог.1 (U1 = Еф – Uo) из узла А в узел Б по подаче тактирующего сигнала Ф1. Транзистор ячейки Б в этом случае тактирующим сигналом не открывается из-за высокого напряжения (U1 = Еф – Uo) в узле А. В отсутствие тока через транзистор ячейки Б узлы А и Б эквипотенциальны и напряжения на них равны U1 = Еф – Uo.

В процессе действия тактирующего импульса транзистор ячейки Б закрыт, а напряжение на узле Б элемента повышается и уменьшается на величину Еф, не изменяя исходного состояния, равного U1. В результате на выходе элемента Б фиксируется требуемая информация (логическая единица). После окончания тактового импульса конденсатор, подключенный ко входу передающей ячейки Б, всегда оказывается заряженным до напряжения (Еф – Uо) независимо от исходного информационного состояния, содержащегося на входе элемента.

Выход рассматриваемого элемента Б является входом последующего, именно по этой причине при рассмотрении работы элемента полагалось, что, независимо от того, передается логическая единица или логический нуль, в узле Б до прихода импульса Ф1 действует напряжение (Еф – Uо).

Информация, хранящаяся на выходе элемента в виде порции заряда на конденсаторе Сбф, может быть передана следующим элементом во время действия тактового импульса Ф2 в узел В и т.д., вдоль всей цепочки элементов.

Минимальная частота работы элементов здесь определяется постоянной времени разрядной цепи, образованной сопротивлениями обратносмещенного стокового р-n-перехода, закрытого канала транзистора и емкостью конденсатора ячейки.

Ток обратносмещенного р-n-перехода ограничен скоростью генерации электронно-дырочных пар в его обедненной области. Следовательно, ограничения максимального времени хранения информации в ПЗС, ТЗС и пожарных цепочках имеют одну и ту же физическую природу.

В отличие от структуры трехтактных ПЗС (см. рис. 3.27, 3.28) у элементов пожарных цепочек присутствуют диффузионные области, обеспечивающие электрическую связь между элементами.

Потенциал приповерхностного слоя полупроводника в зазоре между элементами в пожарной цепочке контролируется благодаря имеющейся диффузионной области, и в этом смысле работа этих элементов не критична к расстоянию между элементами.

Генерация заряда для транспортировки в пожарных цепочках осуществляется рассмотренными ранее способами. Детектирование выходного сигнала осуществляется на сопротивлении нагрузки МДП-транзистора, подключенного к выходной ячейке по схеме с общим истоком.

В отличие от ПЗС элементы пожарной цепочки можно моделировать из отдельных транзисторов и конденсаторов.

 

Проектирование ПЗС

Проектирование приборов с переносом заряда в приповерхностной области подложки основывается на расчетных соотношениях общих для МДП структур в части обеспечения пороговых и рабочих напряжений. Варианты структурных решений и плоскостные размеры электродов принимаются скорее с ориентацией на физико-топологические модели и технологические ограничения. Строгие методики проектирования при этом мало продуктивны, так как исходные значения параметров определяются со значительным рассеянием, модели приборов многомерны, расчетные соотношения весьма приближенны.

Рекомендации по корректировке форм и размеров ПЗС могут основываться на учете следующих отношений:

время записи, хранения, передачи заряда и энергия транспортируемых пакетов повышается пропорционально увеличению активной площади электродов;

потери передачи зарядовых пакетов снижаются при сближении или перекрытии смежных электродов, причем максимальное расстояние между электродами не должно превышать максимальную глубину обедненной области под электродом;

время переноса носителей под передающим электродом (время записи) снижается при снижении длины электрода L до большего из размеров (2–3)×Хо или (2–3)×dп (dп — минимальная технологическая ширина подводящего к электроду проводника).

Для преобразователей изображения в электрический сигнал число элементов разложения N согласуется с линейным размером кристалла Lкр и глубиной обедненной области у поверхности подложки Хо по неравенству

Lкр > 12×Хо×N.


На главную