Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 25 из 102)
115
обедненная область. Предположим, что конденсаторы идеальны, инверсный слой не образуется. Эта обедненная область, образовавшаяся на конденсаторе 1.1, не содержит зарядов и никакой пользы для реализации линии задержки и фильтра принести не может. Предположим, что каким-то образом в эту область будет введен заряд (дырки), пропорциональный мгновенному значению фильтруемого или задерживаемого напряжения. Эти дырки, находясь в обедненной области, будут сохраняться какое-то время. Назовем такое состояние циклом I.
Рисунок 1.10.3
Положим, что на соседний конденсатор (электрод) 2.1 подано напряжение большее, чем Uпор, при этом образуется обедненная область, а с электрода 1.1 напряжение снимается. Если эти конденсаторы расположены близко друг к другу, то напряжение на электроде 2.1 притянет к себе дырки, находившиеся ранее в обедненной области под электродом 1.1 (цикл II на рис. 1.10.3). Очевидно, что на изменение положения динамической неоднородности, т.е. на передвижение дырок, понадобится время тем большее, чем больше удалены друг от друга МДП-конденсаторы. В идеальном случае после снятия напряжения на электроде 1.1 все дырки без потерь перейдут под электрод 2.1. Реально наблюдаются небольшие потери заряда.
Если теперь напряжение, превышающее пороговое, подать на электрод 3.1 и одновременно снять напряжение с электрода 2.1, то дырки, находившиеся ранее под электродом 2.1, не смогут вернуться под электрод 1.1, так как напряжение на нем равно нулю, и вынуждены будут, испытывая притяжение от напряжения, приложенного к электроду 3.1, перейти в обедненную область, сформированную под этим электродом (цикл III на рис. 1.10.3). При этом предполагается, что на электроде 1.2 напряжение отсутствует и, следовательно, дальнейшее их продвижение невозможно. Таким образом, мы проследили три шага, которые проходят дырки в идеальном случае, без потерь.
Ранее отмечалось, что нужно иметь большое количество элементов памяти. Значит, требуется представить дальнейшее продвижение дырок. Для этого предположим, что на электроды 1.1 и 1.2 подано напряжение больше порогового, а напряжение на электроде 2.1 отсутствует. Тогда уменьшение напряжения на электроде 3.1 приведет к перемещению 116 дырок под электрод 1.2, и дырки не смогут двигаться под электрод 2.1, так как на нем нет напряжение. Очевидно, что в этот интервал времени под электрод 1.1, где образуется обедненная область, можно ввести новые дырки уже в другом количестве, отображающем следующее значение фильтруемого напряжения (или задерживаемого).
После того, как введены новые дырки под электрод 1.1 и протекание первых дырок под электрод 1.2, произошло, можно переходить к следующему такту, когда напряжение, превышающее пороговое значение, подается на электроды 2.1 и 2.2, а с электродов 1.1 и 1.2 снимается. Тогда произойдет перетекание дырок под электроды 2.1 и 2.2. Далее эти циклы могут продолжаться столько раз, сколько секций (групп) конденсаторов, включающих в себя три конденсатора, сформировано на полупроводниковой подложке. Обратим внимание на то, что заряды в конденсаторах, отдаленных друг от друга на два МДП-конденсатора, будут существовать и продвигаться самостоятельно.
Как видно, в рассмотренной структуре, состоящей из МДПконденсаторов, при подаче на них поочередно напряжений можно накопить большое количество отсчетов, отображенных в разных зарядах, находящихся под разными электродами. Время задержки будет определяться тактом, с которым происходит изменение напряжения, подаваемого на электроды, и количеством элементарных конденсаторов.
Как известно, увеличение задержки в электрической или электромеханической линии задержки требовало увеличения размеров или количества элементарных линий задержки. В данном же случае эта проблема решается в принципе по-другому. Если время возникновения инверсного слоя удается сделать большим, то можно увеличить задержку, не увеличивая габариты устройства, т.е. при очень малых габаритах, массе, стоимости, затратах мощности.
Отметим, что в настоящее время созданы структуры на ПЗС, содержащие тысячи МДП-конденсаторов. Изложенное выше пока не поясняет до конца смысл работы ПЗС, потому что показано только, как продвигаются динамические неоднородности в виде заряда. Очевидно, чтобы структура могла выполнять функция фильтра или линии задержки, необходимо выяснить, каким образом может быть создана динамическая неоднородность, отображающая информацию, т.е. значение сигнала в дискретные моменты времени и его смеси с помехами, и как может быть информация выявлена из динамической неоднородности.
Ввод в ПЗС динамических неоднородностей, отображающих информацию. Функционирование структуры ПЗС было рассмотрено выше, причем предполагалось, что введенный и затем продвигаемый по ПЗС заряд количественно отражает отсчеты фильтруемого или задерживаемого напряжения.
Рассмотрим вопрос о том, как вводится информация в фильтр на ПЗС,
117
т.е. как создается динамическая неоднородность в виде заряда, значение которого определяется входным напряжением. Ввод может быть осуществлен разными методами. Рассмотрим ввод, в котором используется область, сильно обогащенная носителями. Для этого в схему включают диод Д, на который подаются значения входного напряжения в дискретные моменты времени. Кроме того, между диодом и основным электродом имеется дополнительный электрод, называемый затвором. Схема, поясняющая принцип действия ввода информации в ПЗС, дана на рис. 6.14.
Рисунок 1.10.4
На рис. 1.10.4 Д — диод, под электродом которого расположена область, перенасыщенная носителями (в рассматриваемом примере дырками, так как основная подложка n-типа). Эта область частично заходит под первый электрод — электрод затвора (З). Этот электрод расположен на слое окисла и образует МДП-конденсатор.
Рисунок 1.10.5
На рис. 1.10.5 показан принцип работы фильтра. Входное напряжение через интервал времени tвб с длительностью ∆t подается на входной диод. Если на диод поступает короткий импульс напряжении необходимой полярности, отображающий фильтруемый процесс или являющийся выборкой из фильтруемого процесса, то при этом диод откроется, и дырки начнут инжектироваться через p-n-переход. В том числе они будут проходить через ту часть p-n-перехода, которая находится под затвором. Напомним, что напряжение на первом электроде 1.1 по модулю больше, чем на затворе. Поэтому следует ожидать, что основная часть дырок пройдет мимо области под затвором и окажется под первым электродом. Значение этого заряда зависит от длительности импульса, т.е. времени, в течение
118
которого на диоде действует положительное напряжение, и от напряжения, подаваемого на диод. Поскольку длительность импульсов, подаваемых на затвор, одинакова, то заряд, инжектированный под затвор и под электрод 1.1, будет пропорционален напряжению, поданному на него, т.е. значение заряда будет отображать напряжение, подаваемое на вход фильтра. Для обеспечения концентрации заряда в виде дырок необходимо, чтобы они не могли в этот интервал времени «подтекать» под другие электроды (конденсаторы), т.е. в этот интервал времени на электродах 2.1 и 3.1 должно быть нулевое напряжение.
Поскольку длительность импульса много меньше длительности такта, то в период времени, пока на затворе и электроде 1.1 действует отрицательное напряжение, подача положительного напряжения на диод и протекание тока через него, а также инжекция дырок из области под диодом прекращаются. Входной диод оказывается закрыт, а дырки, инжектированные за время действия напряжения на диоде, сосредотачиваются в потенциальной «яме» под электродом 1.1. При этом следует иметь в виду, что напряжение с затвора снимается, и область р+ оказывается разъединенной с областью под электродом 1.1. В следующий цикл напряжение с электрода 1.1 снимается и одновременно напряжение подается на электрод 2.1. Заряды, скопившиеся под электродом 1.1, не могут двигаться обратно к диоду, поскольку напряжение на затворе равно нулю. Они могут «переливаться» под электрод 2.1. В следующий цикл напряжение на затворе, электродах 1.1 и 2.1 устанавливается равным нулю, поступает на электрод 3.1 и происходит продвижение заряда так, как это было описано выше.
Съем информации в линейке (структуре) ПЗС. Как показано выше, в линейке (структуре) ПЗС может быть накоплено большое количество значений фильтруемого или задерживаемого напряжения, равное числу МДПконденсаторов в структуре, деленному на три. Эта накопленная совокупность значений в случае линии задержки должна последовательно выдаваться на выходе, т.е. информация должна сниматься с последней группы конденсаторов. Сложнее обстоит дело при фильтрации. При этом должен происходить съем данных со всех ячеек задержки, т.е. одновременно с nэ/3 отводов (где пэ— количество электродов). Напомним, что в зависимости от требуемых характеристик фильтров съем значений с разных отводов должен происходить с разным передаточным коэффициентом.
Рассматривая вопрос о съеме, необходимо получить на выводных электродах разные напряжения (отклики), отображающие динамическую неоднородность в виде заряда, и обеспечить дальнейшее продвижение динамической неоднородности. Известно несколько вариантов решения этой задачи.