Функциональные устройства с зарядовой связью

Функциональными устройствами с зарядовой связью (ФУ ЗС) называют такие ФУ, в которых внешним электрическим полем на входе создается локальный заряд неосновных носителей n-или р-типа и передается по информационному каналу с помощью манипуляций этого электрического поля.

Преобразование потенциала в заряд и обратное заряда в потенциал происходит на входе и выходе устройства, а не во время обработки информации, как в схемотехнической электронике. Особенности устройств с зарядовой связью, связанные с представлением информации в виде зарядовых пакетов и с отсутствием в них отдельных схемных элементов, дают основание отнести их к классу функциональных.

Назначения. ФУ 3С предназначены для формирования пакетов неосновных носителей зарядов, хранения, обработки и передачи по информационным каналам.

Классификация. ФУ 3С классифицируют по виду каналов передачи информации (каналов перемещения зарядовых пакетов). Различают ФУ 3С с открытым (поверхностным) и закрытым (объемным) каналами передачи информации. В
первых перемещениях зарядовых пакетов происходит по индуцированных внешним полем каналах, расположенных у границы окись-кремний, в других — по встроенных каналах, локализованных у границы p-n-перехода между эпитаксиальным слоем и подкладкой. Последнее позволяет уменьшить вероятность захвата носителей зарядженого пакета ловушками, особенно многочисленными на поверхности полупроводника, и, вследствие этого, уменьшить потери заряда и соответственно увеличить время хранения записанной информации. ФУ 3С еще классифицируют по схемам перемещения зарядовых пакетов. Выделяют ФУ 3С из двух- и трехфазными схемами перемещения зарядовых пакетов. Если первые предусматривают перемещение зарядовых пакетов передачей на управляющие электроды двух, то вторые — трех разных по значению напряжений. ФУ 3С еще классифицируют по выполняемым функциям. Выделяют запоминающие устройства с зарядовой связью (ЗУ 3С); преобразователи изображения с зарядовой связью (ПИ 3С); аналоговые устройства с зарядовой связью (АУ 3С); линии задержки с зарядовой связью (ЛЗ 3С); фильтры с зарядовой связью (ФЗЗ) и другие.

Строение. ФУ 3С по конструкции подобные полупроводниковых униполярных ИМС. Они представляют собой набор МДП-структур, сформированных на подкладках n— или p-типа. Одна из таких структур, а именно структура с индуцированным
каналом приведена на рис. 1. В ней заслоны 2, которые играют роль управляющих электродов, образуют линейную или матричную структуру, размещенную на поверхности кристалла 1, который играет роль накопителя. Расстояния между соседними электродами, которые составляют 2-3 мкм, намного меньше ширины электродов, которая составляет 20-30 мкм.
Малая межэлектродное расстояние обеспечивает возможность обмена накопленным зарядом между соседними ячейками.

Структура ФУ 3С с индуцированным каналом n-типа: 1 - кристалл; 2 - преграды, 3 - окислительный слой;4 - устройства ввода и вывода информации

Рис. 1. Структура ФУ 3С с индуцированным каналом n-типа: 1 — кристалл; 2 — преграды, 3 — окислительный слой; 4 — устройства ввода и вывода информации

На входе и выходе накопителя размещены устройства ввода и выведения информации 4, которые представляют собой участки, аналогичные утечки и стока МОП-транзисторов, то есть прямо смещены p-n-переходы. На рис. 2 изображена структура ФУ 3С со встроенным каналом n-типа. В этой структуре на подложке р-типа сформирован эпитаксиальный наращиванием канал n-типа. На поверхность эпитаксиального слоя нанесено окислительный слой, на котором изготовлено металлические (алюминиевые) заслоны. В конструкцию ФУ 3С также входят генераторы тактовых импульсов, на рисунках не показаны. Они генерируют синхронизированы между собой тактовые импульсы, которые управляют работой ФУ 3С.

Структура ФУ 3С со встроенным каналом п-типа: 1 - кристалл; 2 - преграды, 3 - окислительный слой; 4 - устройства ввода и вывода информации; 5 - встроенный канал

Рис. 2. Структура ФУ 3С со встроенным каналом n-типа: 1 — кристалл; 2 — преграды, 3 — окислительный слой; 4 — устройства ввода и вывода информации; 5 — встроенный канал

Согласно процессов, которые происходят в ФУ 3С, в них могут возникать потери информации. На верхних частотах рабочего диапазона частот они вызванные потерями зарядов при их движении по информационному каналу, которые обусловленные диффузным рассеянием носителей в слоях между электродами, инерционностью процессов передачи зарядов и перезарядки ловушек. На нижних частотах рабочего диапазона они обусловлены процессами тепловой генерации носителей, которые приводят к накоплению в потенциальных ямах паразитных зарядов. Чтобы избежать этого, в конструкцию ФУ 3С внедряют элементы регенерации записанной информации, которые на рисунке тоже не показаны. Конструкцию ФУ 3С в определенной степени определяют также схемы перемещения зарядовых пакетов, которые, как отмечалось выше, бывают двух- и трехфазными.

Работа. Принцип действия ФУ 3С основывается на образовании пакетов неосновных носителей тока и перемещении их по потенциальных ямах. Для каждой МДП структуры ФУ 3С можно выделить три основных этапа работы (рис. 3): образованния потенциальной ямы, заполнение ее неосновными носителями, освобождение потенциальной ямы от неосновных носителей и передачи их в соседнюю потенциальную яму.

Рис. 3.70. Три основных этапа работы МДП-структуры ФП 33: а-образования потенциальной ямы; б-заполнения потенциальной ямы неосновными носителями; в -освобождение потенциальной ямыРис. 3. Три основных этапа  а-образования потенциальной ямы; б-заполнения потенциальной ямы неосновными носителями; в -освобождение потенциальной ямы

Потенциальная яма образуется в результате представления на заслон 1 (рис. 3, а) отрицательного напряжения, которая вызывает отход основных носителей (электронов) из-под заслонного участка вглубь полупроводника. В результате действия электрического поля, образованного смещенными электронами, потенциальная яма постепенно заполняется неосновными носителями (дырками) (рис. 3, б), которые инжектирует в полупроводник прямо смещенный p-n-переход, расположенный на входе ФУ 3С. По мере заполнения потенциальной ямы дырками ее глубина уменьшается. Поэтому при подаче отрицательного напряжения на заслон 2 образуется глубокая потенциальная яма и дырки переходят из первой потенциальной ямы в соседнюю (Рис. 3, в). Далее все повторяется, то есть при подаче на заслон 3 (на рисунке не показан) отрицательного напряжения образуется глубокая потенциальная яма, чем та, которая остается под заслоном 2 и дырки переходят в потенциальную яму под заслоном 3. В работе ФУ 3С, кроме МДМ-структур, которые образуют потенциальные ямы и перемещают по ним заряду пакеты, а также устройств ввода и вывода неосновных зарядов, участвуют еще два устройства, на рисунках не показаны. Ими являются генератор тактовых импульсов, который руководит работой заслонов и
регенерирующая схемы, восстанавливают утраченные за счет рассеяния на дефектах неосновные носители. Наибольшее количество потерь вызывают поверхностные дефекты. Для их ослабления осуществляют также смещение всех заслонов на
одинаковое значение напряжения в область обеднения. Работа ФУ 3С сопровождается также термической генерацией в потенциальных ямах паразитных неосновных носителей, которые сокращают время жизни «зарядовых пакетов в 2 × 10-2 с. Учитывая это, ФУ 3С могут работать только в динамическом режиме, то есть в режиме постоянной передачи зарядовых пакетов от одной ячейки к другой.

Свойства. ФУ 3С имеют простую конструкцию, низкую потребляемую мощность, высокую плотность записи информации. Благодаря однородности структуры уровень интеграции в ФУ 3С достигает 106 заслонов на кристалл на несущих частотах до
50 МГц. Минимальная тактовая частота в них составляет 1 … 2 кГц, максимальная — около 10 ГГц. Достигнутый динамический диапазон сигнала составляет 40 дБ при потерях сигнала на передачу от входа к выходу ФУ 3С до 10-5. Наиболее эффективными являются ФУ 3С со скрытым каналом. В них наличие p-n-перехода между подкладкой и эпитаксиальным слоем позволяет получать канал на некотором удалении от поверхности устраняет влияние поверхностных ловушек (Приводит к значительному снижению термогенерированого тока и вследствие этого к расширению рабочего диапазона в сторону нижних частот). Удаление канала от поверхности приводит к увеличению эффективной подвижности носителей и уменьшения времени передачи зарядового пакета с одной потенциальной ямы в другую, что позволяет увеличить верхнюю рабочую частоту.

Применение. Развиваются три основных направления применения ФУ 3С. Это запоминающие устройства, устройства обработки аналоговых сигналов и устройства отображения информации. Интересно, что ФУ 3С способны обрабатывать как аналоговые, так и цифровые сигналы без всякой перестройки, что приводит к чрезвычайно широкий диапазон их применения. Это ЗУ, устройства отображения информации, устройства аналоговой обработки сигналов, в частности ЛС, фильтры и тому подобное. Вследствие простоты быстродействующих многоотводные линий задержки на ПЗС можно проектировать такие устройства, как фильтры сложных сигналов радиолокационных станций, фильтры селекции сигналов движущихся целей, фильтры декодирования сложных кодов, устройства дискретного преобразования Фурье. В таких ФУ основным элементом, который определяет характеристики, является многоотводные быстродействующии линии задержки, которые реализуется в виде ФУ 3С.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*