3.3. Принципы работы ПЗС

Чтобы полностью понять возможности GaAs-ПЗС в области систем оптической обработки сигналов, необходимо познакомиться с физикой этих приборов. В данном разделе дается описание устройства и принципов работы ПЗС на основе барьеров Шоттки. Обсуждение будет по необходимости коротким, и основное внимание уделено аспектам, наиболее характерным проблеме оптической обработки с большой скоростью. Приборы с зарядовой связью были рассмотрены исчерпывающим образом в [25], а недавние разработки в области ПЗС на основе барьеров Шоттки обсуждались в [24]. В дополнение к GaAs будет упомянут и важный родственный материал AlGaAs, который непосредственно составляет в комбинации с GaAs высококачественные гетеропереходы и, похоже, будет иметь большое значение в устройствах ЭООС.

Рис. 3.6. Принципиальная схема электрооптического процессора.

(кликните для просмотра скана)

На рис. 3.7 показан разрез GaAs ПЗС-структуры со скрытым каналом, сделанным на основе барьеров Шоттки. Термин «скрытый канал» относится к тому обстоятельству, что зарядовые пакеты удерживаются в -легированном слое или канале, что отличает это устройство от приборов с поверхностным каналом, в которых заряд скапливается в поверхностном инверсном слое МОП или МДП-структуры. Существенными чертами являются омический входной контакт, через который носители инжектируются в устройство, матрица близко расположенных затворов на основе барьеров Шоттки и выходной омический контакт (обозначенный «выходной узел»), который принимает с временной задержкой заряд сигнала. Устройство управляется серией сигналов, форма которых зависит от времени; примеры некоторых из них показаны на рисунке. Назначение этих «тактовых» сигналов состоит в том, чтобы произвести выборку входного сигнала (подаваемого на в данном варианте схемы),

Рис. 3.8. Распределение потенциала и электрических полей в ПЗС на барьерах Шоттки. Случай а) относится к более распространенному варианту размещения -слоя на полуизолирующей подложке, в то время как б) относится к однородно легированному -слою на -подложке.

преобразовать его в зарядовый пакет, пропорциональный амплитуде сигнала, и переместить этот пакет на выходной узел, управляя этим процессом с помощью электродов у соответствующих затворов. Вспомогательные цепи, показанные на рис. 3.7, обычно размещаются на той же подложке, включая полевые транзисторы затвора сброса и истоковый повторитель, используемый для обнаружения заряда на выходном узле. В некоторых случаях формирователи тактовых импульсов и дополнительные цепи согласования выходного сигнала также выполняются интегрально с ПЗС.

Чтобы понять, как возникает перенос заряда, на рис. 3.8 и 3.9 показаны электростатические потенциалы и электрические поля в материале. Потенциалы отсчитываются относительно дна зоны проводимости, потенциал затвора берется за начало отсчета при О В. На рис. 3.8 изображены распределения потенциала и электрических полей вдоль оси у (по нормали к плоскости устройства) для двух случаев. В случае (а) слой GaAs состоит из однородно легированного слоя -типа на полуизолирующей подложке, в то время как случай (б) дает описание слоя -типа

Рис. 3.9. Объемное распределение потенциала в канале ПЗС. Заряд переносится в направлении х параллельно плоскости устройства, соответствующей -плоскости. 1) Данная величина представляет собой удвоенную амплитуду и называется размахом,

на подложке -типа. Случай (а) представляет существенно более общую ситуацию, поскольку меньшей является емкостная нагрузка, создаваемая подложкой, и последующее обсуждение относится к этому случаю. Сплошные кривые относятся к условию пустых ям, т. е. электроны -слоя полностью вырождены. Пунктирная линия соответствует случаю заполненной ямы, где электроны почти полностью нейтрализуют заряд доноров, за исключением узких областей вблизи затвора и границ раздела подложки. В обоих случаях в -слое возникает максимум потенциала (или минимум энергии электронов). Разность между потенциалом пустой ямы и потенциалом полной ямы может быть задана простым выражением для случая

где — контактная разность потенциалов и — высота барьера на границе металл-диэлектрик, — концентрация легирования донорами, — плотность состояний в зоне проводимости для — напряжение, соответствующее тепловой энергии. Напряжение отсечки задается выражением

где Т — толщина слоя, — заряд электрона, — диэлектрическая проницаемость полупроводника. Во всех случаях, представляющих практический интерес,

В направлении х (направление переноса заряда) поля и потенциалы определяются в основном напряжением на затворе. На рис. 3.9 представлены трехмерные зависимости распределения потенциалов в канале ПЗС для случая -слоя на полуизолированной подложке. Два затвора находятся под нулевым напряжением и были заполнены зарядом, перенесенным из смежных ям, находящихся под напряжением Из этой диаграммы ясно, что, для того чтобы полностью очистить «опустошаемую» яму, размах (удвоенная амплитуда) напряжения тактовых импульсов должен быть больше, чем максимальное напряжение в канале Практически необходим размах тактового сигнала около чтобы обеспечить полный перенос электронов в соседнюю яму.

Управляющие сигналы, прикладываемые к затворам, показаны более подробно на рис. 3.10 для случая четырехфазной синхронизации устройства. При низких частотах тактовые сигналы являются прямоугольными сигналами, распространяющимися между высоким потенциалом, который притягивает электроны потенциальную яму, находящуюся под затвором, и низким потенциалом, отталкивающим электроны. В любой заданный момент времени по крайней мере два соседних затвора

находятся под высоким потенциалом и накапливают заряд. Для перемещения зарядового пакета на следующую пару затворов потенциал на третьем затворе (например, ) должен расти, в то время как потенциал первого затвора (например, ) уменьшается. Тогда заряд выталкивается потенциалом из опустошаемой ямы, в области с где ямы заполняются.

По мере увеличения тактовой частоты становится более трудным поддержание быстрых тактовых переходов, и форма импульсов ухудшается почти до синусоидальной формы. К счастью, большинством ПЗС-структур можно управлять синусоидальными сигналами, без значительного снижения характеристик. Этот факт может быть использован для снижения рассеиваемой мощности в цепях формирователей тактовых сигналов. Причина этого состоит в том, что затворы ПЗС-структур представляют преимущественно емкостную нагрузку для цепи формирователя и, следовательно, возможно управлять затворами с помощью -цепей, обладающих высокой добротностью. В этом случае потребление мощности может быть намного ниже, чем для традиционных переключающих цепей, рассеивающих существенные мощности.

Одну важную проблему, связанную с этим устройством, не указанную на слишком упрощенной диаграмме на рис. 3.9, представляет область зазора между затворами, показанная на рис. 3.7. Если этот зазор очень широкий, соседние электроды на затворах не регулируют соответствующим образом потенциал в канале и возможно образование ложных потенциальных ям или барьеров, которые в свою очередь могут вызвать серьезные нарушения в процессе переноса заряда [8, 9]. Чтобы избежать этой опасности, требуется поддерживать минимальные размеры зазора, обычно не более 1 мкм. Это является особенно

Рис. 3.10. Формы тактовых сигналов для 4-фазного ПЗС.

настоятельным требованием в процессе изготовления устройства и нуждается в совершенном литографическом оборудовании и тщательном проведении процессов. Недавно была продемонстрирована новая структура с затворами, изготавливаемыми из одного или более металлических слоев и диэлектрических слоев, обеспечивающих межэлектродную изоляцию [20]. Этот процесс создания перекрывающихся затворов предъявляет менее жесткие требования к литографии и дает возможность регулировать размеры зазора с субмикронной точностью. Ниже описана другая структура затворного типа, успешно работавшая с гигагерцевыми тактовыми частотами.

Далее будут кратко упомянуты ограничения характеристик, накладываемые темновым током и ловушечными эффектами. Темновой ток представляет собой спонтанную генерацию электрон-дырочных пар и, следовательно, является источником нежелательного заряда. Так как представляющие здесь интерес приложения связаны с использованием высоких тактовых частот, заряд темнового тока обычно будет удаляться из устройства прежде, чем он будет накоплен в значительном количестве. Типичная величина для GaAs составляет что приблизительно в 100 раз больше, чем для существующих кремниевых ПЗС. На этом уровне типичная ПЗС-структура на GaAs будет заполнена темновым током за времена около 0,1 с. AlGaAs имеет более широкую запрещенную зону, чем и вследствие этого могут быть получены намного более слабые темновые токи. При комнатной температуре в ПЗС-структурах на наблюдались значения, близкие к

Даже когда ПЗС-структура работает при достаточном размахе тактовых импульсов и имеет хорошие профили распределения потенциала в области между затворами, обеспечивающими полный перенос свободных зарядов, остается дополнительный источник потерь заряда, возникающий вследствие захвата на ловушки. Источником таких ловушек являются химические загрязнения и структурные дефекты кристалла. Захват носителей на такие состояния обычно происходит за времена в пределах наносекунд, но освобождаются они за времена, зависящие от типа ловушки. По сравнению с кремнием, где обычными являются концентрации ловушек менее плотности ловушек в GaAs и других смешанных полупроводниках обычно составляют по меньшей мере в 100 и более раз большие величины. Но, несмотря на это, сообщалось о создании ПЗС-структур на GaAs с эффективностью переноса, приближающейся к кремниевым устройствам [26]. Одна из причин может состоять в том, что скорость освобождения заряда или время эмиссии из ловушки изменяются в очень широких пределах и, следовательно, различные ловушки будут обладать различными степенями влияния на характеристики устройства. Например,

один особенно широко распространенный вид ловушек в GaAs - это дефект стехиометрии, известный как время эмиссии которого при комнатной 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.