Материал: ufe lab 2

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения

высшего образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Проектирование и технология электронных средств»

Дисциплина «Устройства функциональной электроники»

Отчет по лабораторной работе №2

«Анализ конструкции устройств на приборах с зарядовой связью»

Выполнили: студенты гр. Рбд-31

-

-

Проверил:

доцент, к. ф.-м. н.

Климовский А.Б

Ульяновск

2021

1. Цель работы.

Исходя из исходных данных и заданных требований в соответствии с назначенным вариантом работы, построить зависимости напряжения записи от напряжения хранения, концентрации примеси и расстояния между соседними электродами. Сделать выводы о характере полученных зависимостей.

2.1 Физический процесс, используемый в фоточувствительных приборах с зарядовой связью.

Фоточувствительные ПЗС (ФПЗС) является изделием функциональной электроники, предназначенным для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, действие которого основано на формировании и переносе зарядовых пакетов под действием света по поверхности или внутри полупроводника.

Различают линейные и матричные ФПЗС.

• В линейных ФПЗС фоточувствительные элементы расположены в один ряд. За один период линейный ФПЗС воспринимает изображение и преобразует в электрический (цифровой) сигнал одну строку оптического изображения.

• В режиме накопления информации в потенциальных ямах ФПЗС накапливаются фотогенерированные зарядовые пакеты, а затем эти фоточувствительные элементы используются для транспортировки зарядовых пакетов к выходу. Эта конструкция линейных ФПЗС проста, но в ней происходят искажения сигналов за счет засветки в процессе сканирования.

С целью функции разделения накопления и сканирования вводят дополнительный регистр сдвига и разрешающий затвор. В таком приборе устраняется влияние засветки.

Рис. 1. Конструкция линейной ФПЗС.

Структура матричной ФПЗС с кадровым переносом

Большинство типов ПЗС-матриц, изготавливаемых на промышленной основе, ориентированы на применение в телевидении, и это находит отражение на их внутренней структуре.

Как правило, такие матрицы состоят из двух идентичных областей – области накопления и области хранения. Область хранения защищена от воздействия света светонепроницаемым покрытием. Во время обратного хода луча кадровой развертки телевизионного монитора изображение, сформированное в области накопления, быстро переносится в область хранения и, затем, пока экспонируется следующий кадр, считывается построчно с частотой строчной развертки в выходной сдвиговый регистр.

Рис. 2. Конструкция матричной ФПЗС с кадровым переносом.

2.2 Процессы искажающие величину информационного заряда.

Информация в потенциальной яме ПЗС не может храниться бесконечно долго вследствие эффекта тепловой генерации носителей и накопления паразитного заряда.

В режиме хранения элементы ПЗС не взаимодействуют друг с другом и поэтому каждый элемент эквивалентен МДП-емкости. Заряд дырок, который хранится в потенциальной яме и характеризует информационное состояние прибора, локализуется в узком инверсном слое у поверхности полупроводника. Глубже инверсного слоя лежит обедненная область. С течением времени величина информационного заряда изменяется вследствие притока в потенциальную яму паразитного заряда дырок, обусловленного процессами термогенерации и диффузии из объема. В стационарном состоянии при t→ ∞ за счет этих процессов потенциальная яма заполняется до насыщения независимо от величин начального информационного заряда. Поэтому ПСЗ являются динамическими устройствами, для которых рабочий интервал тактовых частот ограничен как сверху, так и снизу.

В режиме хранения необходимо выполнение двух основных условий: «глубина» потенциальной ямы под затвором ПЗС должна быть достаточной для хранения информационного заряда плотностью Q_р; паразитный заряд плотностью Q_рпар., который накапливается в ПЗС за время хранения, должен быть значительно меньше информационного заряда Q_р (допустимое отношение Q_рпар./Q_р определяется условиями применения ПЗС).

Величина поверхностного потенциала φ, характеризующая «глубину» потенциальной ямы, зависит от напряжения на затворе U_з, плотности (на единицу поверхности) заряда дырок Q_р и от электрофизических характеристик диэлектрической пленки и подложки:

(1)

где

;

- коэффициент, учитывающий влияние обедненного слоя подложки;

- удельная емкость диэлектрика затвора толщиной Х∂;

- диэлектрическая проницаемость соответственно подложки и диэлектрика;

Ni – концентрация примеси в подложке, далее для n-типа подложки;

- концентрация носителей в собственном полупроводнике;

q – заряд электрона;

- минимальное напряжение на затворе МДП структуры, при котором наступает инверсия

- контактная разность потенциалов в МДП-структуре (табл);

- удельный заряд поверхностных состояний.

Максимальный заряд Q_рм, который может быть помещен в потенциальную яму при заданном напряжении Uз, определяется из (1) при условии насыщения потенциальной ямы, то есть при φ = φ₀ :

(2)

Обычно Qрм=(1…5)10^-3 пК/мкм².

Допустимое время хранения заряда определяется процессами, приводящими к накоплению паразитного заряда Q_рпар. Это процессы определяют максимальное время хранения t_{хр.макс.} (десятки миллисекунд) и минимальную частоту работы f_мин цифровых и аналоговых устройств на ПЗС, а также темновые токи в фотоприемных ПЗС.

где m – количество тактов (фаз) в системе управления.

Для современных трехтактных схем на ПЗС типичные значения

f_мин = 0.1 … 1 кГц.

3. Расчетная часть.

4. Вывод.

Исходя из исходных данных и заданных требований в соответствии с назначенным вариантом работы, были построены зависимости напряжения записи от напряжения хранения, концентрации примеси и расстояния между соседними электродами.

По полученным графикам можно сделать следующие выводы:

• Напряжение записи тем больше, чем больше напряжение хранения. Это связано с тем, что для перехода дырок от одного электрода к другому требуется приложить напряжение, большее, чем напряжение хранения.

• Напряжение записи тем больше, чем больше расстояние между затворам. Это связано с тем, что для перехода дырок от одного электрода к другому потенциал должен монотонно возрастать, и чем больше расстояние между электродами, тем большая разность потенциалов между ними.

• Напряжение записи тем больше, чем больше концентрация примеси. Это связано с тем, что чем больше концентрация примеси, тем выше пороговое напряжение на затворе МДП структуры для наступления инверсии.