3.1.4. Устройства управления динамическими неоднородностями

Существуют различные способы управления распространением динамических неоднородностей в полупроводниках, но все они основываются на эффекте воздействия поля на динамические неоднородности. Рассмотрим некоторые примеры.

Подавая на каждый последующий электрод цепочки МОП-конденсаторов напряжение выше предыдущего, можно осуществить процесс перетекания заряда во все более глубокую потенциальную яму. Однако такой процесс не может быть долгим потому, что легко может быть получено пробивное напряжение. Для перемещения зарядовых пакетов удобно использовать импульсы напряжения трапецеобразной формы (Рисунок - 3.6, б).

Рисунок - 3.6. Зарядовая связь между двумя МОП-конденсаторами: а — сечение МОП-конденсаторов; б — импульсы, подаваемые на электроды; в — зарядовый пакет в левой потенциальной яме; г — сформированная пустая потенциальная яма; д— перенос зарядового пакета самоиндуцированным дрейфом; е — перенос зарядов краевым полем; ж — перенос зарядов диффузией; з — зарядовый пакет в правой потенциальной яме

В момент подачи импульса напряжения на электрод 1, на электроде 2 напряжение мало. С уменьшением амплитуды тактового импульса U1 увеличивается амплитуда импульса U2. Соответственно потенциальная яма под электродом 1 уменьшается, а под электродом 2 увеличивается (Рисунок - 3.6 в, г). Зарядовый пакет из-под электрода 1 перемещается под электрод 2. Возможно обратное перемещение заряда в случае обратной последовательности подачи напряжения, перенос зарядов осуществляется в три стадии.

В начальный момент, когда яма полностью заполнена и зарядовый пакет имеет максимальную величину, перенос происходит из-за электростатического расталкивания инверсионных электронов. Как только часть носителей попадает в потенциальную яму под вто­рой электрод, возникает градиент плотности заряда и соответственно градиент электрического поля. Именно это поле вызывает ток носителей или самоиндуцированный дрейф (Рисунок - 3.6, д). Величина заряда в первой яме уменьшается по гиперболическому закону. Время перетекания заряда составляет порядка 10^-9 с.

С уменьшением зарядового пакета силы расталкивания ослабевают и самоиндуцированный дрейф замедляется. Начинается дрейф под действием краевого поля, обусловленного разностью потенциалов под соседними электродами. Величина краевого поля зависит от амплитуды тактовых импульсов. Дно потенциальной ямы под первым электродом наклоняется в сторону перетекания заряда. Угол наклона пропорционален напряженности краевого поля (Рисунок - 3.6, е). По гидравлической аналогии это соответствует наклону дна сосуда. Основная часть зарядового пакета (~90%) переносится именно с помощью этого механизма (Рисунок - 3.6, ж).

Это медленная стадия процесса переноса. Эффективность переноса определяется вели­чиной

,

где Q(Т) — величина зарядового пакета, успевшего перетечь за период такта, Q— вели­чина полного зарядового пакета. При малом значении  происходит искажение информа­ционного сигнала, что недопустимо в устройствах. Оценки показывают, что допустимая неэффективность переноса  = 1 -   10^-5 .

В момент минимального значения импульса U1, яма под электродом 1 схлопнется, в то время как на электроде 2 будет максимальное значение амплитуды импульса, а под электродом будет локализован практически весь зарядовый пакет (Рисунок - 3.6, з). Цепочка таких МОП-конденсаторов с зарядовой связью образует сдвиговый регистр, предназначенный для транспортировки и хранения зарядовых пакетов.

Управлять процессом передачи зарядов можно, управляя величиной на затворах зарядово-связанных МОП-конденсаторов. Различают несколько типов ПЗС-регистров, различающихся количеством фаз.

На Рисунок - 3.7 представлена схема накопления и переноса зарядовых пакетов в трехфазном ПЗС. Последовательность импульсов на фазах Ф1,Ф2, Ф3 имеет периодический характер и трапециевидную форму. Их временная диаграмма представлена на Рисунок - 3.7, в, г, д. Импульсы следуют с некоторым временным перекрытием так, чтобы фронт последующего по времени импульса нарастал бы раньше, чем начался спад импульса предыдущей фазы. Заметим также, что импульсы имеют некоторое постоянное смещение UCM (1—3 В), обеспечивающее постоянное обеднение поверхности основными носителями. Отсутствие та­кого напряжения смещения приводило бы к потерям величины зарядового пакета вследствие рекомбинации электронов с дырками. Напряжение на фазах ПЗС-структуры колеблется в пределах 10—20 В.

Формируя симметричные либо асимметричные топологии структуры, можно создать также одно-, двух-, четырехтактные сдвиговые регистры. Рассмотренный трехтактный ПЗС-регистр относится к первому типу, в котором направленность переноса зарядового пакета обеспечивается индуцированными потенциальными барьерами. Эти барьеры формируются электрическими полями со стороны, противоположной переносу зарядового пакета.

Рисунок - 3.7. Накопление и перенос зарядовых пакетов в трехфазном ПЗС (а) и диаграммы управляющих импульсов на фазах Ф1(б), Ф2 (в), Ф3 (г)

Направленность переноса зарядовых пакетов можно обеспечить с помощью технологически встроенных зарядовых барьеров. Такие конструкции относятся ко второму типу сдвиговых регистров.

Асимметричное распределение потенциала, обеспечивающее направление и управляемый перенос зарядовых пакетов, можно получить неоднородным распределением примесей под электродами, а также изменением толщины слоя диэлектрика.

В процессе управляемого переноса информационного сигнала существенную роль играют каналы переноса, которые можно классифицировать по признаку локализации.

Различают:

□ поверхностный канал, расположенный у границы "диэлектрик—подложка", который обеспечивает высокую зарядовую емкость, простоту технологии. К недостаткам поверхностного канала следует отнести невысокое быстродействие, большие шумы, низкую эффективность переноса;

□ объемный канал, расположенный на глубине 0,2 мкм, называют мелким, на глубине до 0,5 мкм — глубоким. Достоинством этого канала является более высокое, чем у поверхностных каналов, быстродействие, высокая эффективность переноса из-за устранения влияния поверхностных ловушек и поверхностного рассеяния носителей. К недостаткам относится небольшая зарядовая емкость и усложнение технологии производства;

□ перистальтический канал, состоящий из неглубокого канала с высокой степенью легирования и находящегося под ним глубокого канала с небольшой степенью легирования. Такая комбинация позволяет достичь оптимального сочетания быстродействия и зарядовой емкости. Недостатком является существенное усложнение технологии производства;

□ многоканальные структуры содержат много каналов переноса, позволяющие переносить носители зарядов противоположного знака. Такая сложная конструкция сложна в изготовлении, но расширяет функциональные возможности ПЗС-регистра; .

□ канал с резистивным электродом является типом канала, в котором перенос заряда осуществляется под действием в канале электрического поля переменной напряженности. Перенос осуществляется механизмом дрейфа носителей. Это является ограничивающим фактором на число электродов в регистре при достаточно простой его кон­струкции.

Направленный перенос зарядовых пакетов обеспечивается также стоп-канальными областями. Эти области формируются легированием подложки примесями того же типа проводимости, что и зарядовые пакеты, но с большей концентрацией (Рисунок - 4.8). Стоп-каналы легируются до такой степени, чтобы состояние обеднения в них не достигалось при максимальном напряжении смещения.

С помощью стоп-канальных областей можно соединять и разделять каналы переноса, проводить другие операции управления.

Рисунок - 3.8. Формирование стоп-канальных областей в ПЗС-регистре: — металлический электрод; — стоп-канальные области n+-типа проводимости

Рассмотрим другой пример — управление динамическими неоднородностями волновой природы. Величина и направление фазовой скорости волн пространственного заряда за­дается с помощью электрического статического тянущего поля Uсm. Это поле формирует­ся между истоковым и стоковым омическими контактами в эпитаксиальном арсенид-галлиевом слое n-типа проводимости. Управлять формой выходного высокочастотного сиг­нала можно с помощью встречно-штыревых преобразователей (ВШП). Их конфигурация позволяет отслеживать объемный заряд в полупроводниковой пленке, индуцирующий выходной сигнал.

Весьма перспективными являются полупроводниковые структуры, работа которых основана на управлении путем интерференции электронных волн. Если сгенерировать динамические неоднородности в виде электронных волн с высокой фазовой когерентностью на протяжении длины их распространения, то электрическим полем можно модулировать электронную волну.

В области детектора наблюдается конструктивная или деструктивная интерференция двух электронных волн в зависимости от напряжения на устройстве управления (Рисунок - 3.9). Трудность реализации таких приборов заключается в малой длине когерентности электронных волн в твердом теле.

Рисунок - 3.9. Интерференция электронных волн в твердом теле: 1 — генератор; — детектор электронных волн; — электрическое устройство управления фазой электронной волны; 4 — когерентные электронные волны; 5— электронные волны с противоположными фазами