Курсовая работа (т): Фоточувствительные приборы с зарядовой связью на МДП ИС

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью на МДП ИС

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Кафедра электронных приборов (ЭП)

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью на МДП ИС

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Основы фотоники»

Выполнил

студент гр. 341

Д. И. Ример

Руководитель

Ст. преподаватель, к.т.н.

Е. В. Саврук

РЕФЕРАТ

Индивидуальное задание 38 с., 11 рис., 13 источников, 1 таблица.

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС) на МДП ИС. МОП емкость, перенос заряда в ФПЗС, ПЗС структура, схема организации ПЗС матриц, характеристики ПЗС матриц, термоэлектрический элемент Пельтье.

Объект исследования - фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

В процессе работы проведено изучение строения ПЗС матриц на МДП структурах, исследованы их характеристики, структуры, шумы.

Работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007, с использованием MathCad 14.

ABSTRACT

task 38 p., 11 figures, 13 sources, 1 table.charge coupled devices (PCCD) on the MIS IM. MOS capacity, the charge transfer in PCCD, CCD structure, organization scheme of the CCD matrix, specifications CCD matrices, thermoelectric Peltier element. of research - photosensitive charge coupled devices. the process of work carried out to study the structure of the CCD matrices in MOS structures, investigated, their characteristics, structure, noises.work is done in Microsoft Word 2007, using MathCad 14.

ВВЕДЕНИЕ

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) относятся к тем изделиям, значимость которых непрерывно возрастает и, несомненно, будет возрастать в дальнейшем вне зависимости от появления новых разновидностей интегральных схем и быстрого прогресса традиционных больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Устойчивость положения ПЗС в общей иерархии микроэлектронных приборов можно объяснить плодотворностью, «жизнеспособностью» основополагающей идейной концепции ПЗС, заключающейся в том, что в этих приборах информация представляется в виде зарядовых пакетов, которые формируются в приповерхностной области кристалла, управляемо перемещаются и требуемым образом преобразуются (делятся, сливаются, нормируются и прочее).

Отсюда вытекает функциональная широта ПЗС, которая проявляется в способности оперировать (хранение, обработка) аналоговыми и цифровыми величинами, а также в возможности параллельного ввода больших массивов информации, в том числе соответствующих двумерным изображениям.

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью нашли применение в аппаратуре широкого спектра: в промышленных ТВ-камерах; робототехнических комплексах и системах технического зрения; прецизионных измерителях координат; сборочном оборудовании; оптических и радиотелескопах; бортовой космической аппаратуре; системах ввода графической информации в ЭВМ и многих др. [1].

Цель данной курсовой работы исследование и проведение анализа устройства и применения фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) на метало-диэлектрик-полупроводниковых интегральных схемах (МДП ИС). Актуальность данной работы определяется широко распространённым применением данных структур в таких отраслях, как микро биофизика, химическая физика, ядерная физика, астрофизика и т.д.

. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

.1 Принцип действия

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис. 1.1). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур.

- кристалл кремния; 2 - вход - выход; 3 - металлические электроды; 4 - диэлектрик.

Рисунок 1.1 - Структура ПЗС

Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение, то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности вглубь полупроводника, у поверхности же образуется обедненная область, которая представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей - дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик-полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое [2].

Если к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре).

Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС-элемента, либо светогенерацией.

Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода. Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов [2].

Естественно, что заряд, введенный в МДП-структуру, не может храниться в ней неограниченно долго. Процесс термогенерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводника и на границе раздела диэлектрик-полупроводник ведет к накоплению в потенциальных ямах паразитных зарядов и, следовательно, к искажению зарядовой информации, а с течением времени и к полному ее «стиранию». Это время может достигать сотен миллисекунд и даже десятков секунд, но, тем не менее, оно конечно и определяет существование нижней граничной частоты. Таким образом, работа прибора основана на нестационарном состоянии МДП-структуры, и ПЗС являются элементами динамического типа.

- полупроводник; 2 - стоп-канальная область; 3 - оксид; 4 - электрод; 5 - обедненная область.

Рисунок 1.2 - МОП-емкость

При всем многообразии приборов с переносом зарядов (а на сегодняшний день насчитывается не один десяток видов ПЗС, включая фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС), запоминающие устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС ЗУ) и аналоговые ПЗС) основой большинства из них является МОП-емкость (металл-окисел-полупроводник). Разработаны ПЗС, в которых используется емкость pn-перехода или барьера Шоттки, однако, МОП-емкость используется наиболее широко, и на ее примере удобно объяснить работу ПЗС. На рис. 1.2 изображена МОП-емкость, сформированная на полупроводнике р-типа. Состоит МОП-емкость из электрода, который может быть изготовлен из металла или сильнолегированного поликремния, диэлектрика и полупроводниковой подложки. Если подложкой служит монокристаллический кремний, диэлектриком в большинстве случаев является термически выращенный диоксид кремния SiO2.

Толщина слоя оксида кремния мала, всего 0,05-0,1 мкм, так как при большей толщине диэлектрика проникновение внешнего поля в подложку ослабляется управление свойствами МОП-емкости становится затруднительным [1].

1.2 Зарядовая связь

Изолированную МОП-емкость можно, прикладывая смещение соответствующей величины и полярности, привести в нестационарное состояние глубокого обеднения, т.е. создать потенциальную яму и осуществить процесс накопления и хранения зарядового пакета. Для передачи зарядового пакета из одной потенциальной ямы в другую необходимо сблизить МОП-емкости настолько, что бы их электрические поля влияли друг на друга. В этом случае можно говорить о зарядовой связи между МОП-емкостями. Для накопления заряда и формирования зарядового пакета на МОП-емкость достаточно подать постоянное обедняющее смещение [3].

Перенос зарядов из одной емкости в другую, связанной с нею зарядовой связью, требует переключения (тактирования) электродов. На рис. 1.3,а показаны две МОП-емкости с типичными размерами электродов 4-10 мкм и зазоров между ними 0,2-1 мкм. На электроды подают импульсное смещение, характеризуемое периодом T и двумя уровнями: высоким (или верхним) уровнем и низким (или нижним) уровнем (рис. 1.3,б).

а - сечение; б - импульсные смещения, подаваемые на электроды; в - потенциальная яма образована под левым электродом и заполнена зарядом; г - пустая потенциальная яма, образованная под правым электродом; д - перенос зарядов самоиндуцированным дрейфом; е - перенос зарядов краевым полем; ж - перенос зарядов диффузией.

Рисунок 1.3 - Две МОП-емкости, связанные зарядовой связью

Пусть в некоторый начальный момент на левый электрод подан импульс с высоким уровнем (10-20 В), на правый - с низким (0-10 В). Под левым электродом образовалась глубокая потенциальная яма, дно которой ниже дна правой ямы на Δφ (рис. 1.3,в).

Следовательно, в левую яму можно поместить зарядовый пакет не более чем Q ≈ CД∙AЭ∙Δφ, где АЭ - площадь электрода, Сд = eоeд/dд - емкость МДП-конденсатора, e0, eд - диэлектрические проницаемости вакуума и диэлектрика соответственно, dд - толщина диэлектрика.

В момент t1 производится тактирование: левый электрод переключается на низкий уровень смещения, а правый - на высокий. На рис. 1.3.г приведена гипотетическая картина этого момента, когда справа подготовлена глубокая пустая яма, а носители заряда из поднявшейся левой ямы еще не начали двигаться. Вслед за этим начнется перенос, который проходит три последовательных стадии (рис. 1.3.д, е, ж), связанные с различными механизмами. В конце концов, зарядовый пакет оказывается под правым электродом [3].

Различают три физических механизма, определяющих перенос зарядов:

) самоиндуцированный дрейф;

) дрейф под действием краевого поля;

) тепловая диффузия носителей заряда.

В начальной фазе переноса, когда зарядовый пакет велик (сравним с емкостью ямы), перенос происходит просто из-за электростатического расталкивания носителей - инверсионных электронов. Как только часть носителей уходит в соседнюю яму, появляется градиент плотности заряда (рис. 1.3,д), возникает пропорциональное этому градиенту поле, которое вызывает ток носителей или самоиндуцированный дрейф. По мере уменьшения зарядового пакета силы расталкивания ослабевают и самоиндуцированный дрейф замедляется. Его сменяет дрейф под действием краевого поля, не зависящий от градиента плотности заряда и наличия самого заряда. Краевое поле обусловлено разностью потенциалов под соседними электродами и зависит от амплитуды тактовых импульсов, толщины слоя диэлектрика, уровня легирования и длины электродов.

Точный расчет краевого поля сложен, поскольку приходится решать двумерную задачу: потенциал изменяется не только вглубь подложки, но и вдоль поверхности. Дно потенциальной ямы в отдающей МОП-емкости наклоняется в сторону вытекания заряда под углом, соответствующим напряженности краевого поля.

После того как краевое поле перестает влиять на перенос зарядов, доминирующим механизмом переноса оставшегося весьма малого числа носителей заряда становится тепловая диффузия. Диффузионная стадия является самой медленной и поэтому определяет весь процесс переноса, так как надо обеспечить максимально полное перемещение информационного заряда в соседнюю потенциальную яму [3].

.3 Процессы, протекающие в ФПЗС

В ФПЗС выделены четыре способа ввода оптической информации:

) непосредственный оптический ввод со стороны электродов;

) непосредственный оптический ввод с обратной стороны подложки;

) оптический ввод с использованием фоточувствительного слоя;

) фотоэлектронным преобразованием.

Для оптического ввода могут быть использованы внутренний и внешний фотоэффекты. Внутренний фотоэффект возникает при поглощении фотонов в полупроводнике и генерации в результате этого носителей заряда. Возможны два основных механизма преобразования:

) собственный фотоэффект, заключающийся в образовании поглощенным фотоном пары электрон (в зоне проводимости) и дырка (в валентной зоне). Такой механизм имеет место в том случае, если энергия фотона больше ширины запрещенной зоны;

) примесный фотоэффект, возникающий в результате возбуждения донора или акцептора поглощенным фотоном и образования одного носителя - электрона в зоне проводимости или дырки в валентной зоне.

Для появления примесного фотоэффекта достаточно, чтобы энергия фотона была больше энергии возбуждения примеси (но меньше ширины запрещенной зоны)[4].

Кремниевые ФПЗС, работающие в видимой области, используют исключительно собственный фотоэффект, обеспечивающий высокую эффективность преобразования оптической формы изображения в зарядовую. Излучение, прежде чем поглотиться в полупроводнике, проходит довольно сложную систему отражающих и поглощающих слоев.

Наиболее широко используется технология, в которой электроды, выполненные в разных слоях поликремния, перекрываются друг с другом. Разделяющие их зазоры уменьшаются при этом до толщины изолирующего межфазного оксида, т. е. до 0,1-0,2 мкм, так что эффективность переноса перестает расти от величины зазора.

Многослойная технология довольно четко делится на два подвида: двухслойную, при которой в одном слое поликремния формируют электроды разных фаз, и трехслойную, при которой в каждом слое или, по крайней мере, в двух слоях поликремния формируют электроды одной и той же фазы [5].

Далее в работе рассмотрен технологический процесс изготовления ФПЗС второго поколения, отличающиеся высокой эффективностью переноса, быстродействием, простотой управления.

Для обеспечения таких качеств необходимо: сформировать объемный канал, однородный или со встроенными областями потенциальных барьеров; создать локально полевой оксид, снижающий паразитные емкости - операции, определяющие важнейшие параметры ФПЗС.

Выполнение описанных выше задач и приведет главной цели - к созданию высококачественного прибора, который будет конкурентоспособен и востребован на современном рынке. Начать следует с выбора материалов, затем разработать технологический маршрут изготовления, проанализировать технологические операции и провести теоретический расчет основных технологических операций.

.4 Выбор материалов

.4.1 Исходные кремниевые пластины

Оценку и выбор проводят по следующим характеристикам:

плотность «врожденных» дефектов;

неоднородность распределения удельного сопротивления и плотности центров генерации-рекомбинации;

механическая прочность как показатель вероятности образования дислокаций, линий скольжения, а также поломки пластин;

способность к образованию внутреннего геттера;

степень образования дефектов при технологических термообработках.

Зонный кремний. Основные недостатки: сильно выраженная неоднородность удельного сопротивления и низкая механическая прочность. Достоинства: низкая концентрация врожденных дефектов. Зонный кремний наиболее чувствителен к технологическим термообработкам, в нем появляются дислокации и дефекты упаковки (скорее всего, это связанно с низкой прочностью).