Польові прилади із зарядовим зв’язком

Польовий прилад із зарядовим зв’язком (ПЗЗ) – це напівпровідниковий прилад, у якому можуть здійснюватися накопичення неосновних носіїв заряду під електродами МДН-структур (під електродами затворів) і переміщення цих носіїв від одного електрода до іншого.

Принцип дії ПЗЗ ґрунтується на зберіганні заряду неосновних носіїв у потенціальних ямах, що утворюються біля поверхні НП під дією зовнішнього поля, і на переміщенні цього заряду вздовж поверхні за рахунок зсуву потенціальних ям.

ПЗЗ - це МДН-транзистор, що має кілька затворів. Розглянемо ПЗЗ, який виконує функцію тритактного регістра зсуву (рис. 4.25 а). Цей прилад має три секції. Вхідна секція складається з р⁺ - області витоку і вхідного затвора, що відіграє роль ключа для керування рухом дірок з дифузійної р⁺ - області витоку до першої потенціальної ями. Друга секція (секція перенесення) має кілька затворів, які керують потенціалом приповерхневого шару НП. Ці затвори з’єднані між собою через два. Напруга на затворах секції має форму імпульсів різної амплітуди, що циклічно змінюють один одного (рис. 4.25 б-д). При такій зміні напруги на затворах потенціальні ями переміщуються до виходу приладу, захоплюючи із собою пакети носіїв заряду – дірок. Третя секція ПЗЗ – вихідна секція – являє собою – перехід стоку, ввімкнений у зворотному напрямі, напруга на якому буде змінюватися при надходженні пакета носіїв заряду – дірок (рис. 4.25 г).

Нехай під час першого такту роботи на вхідний затвор подається напруга , достатня для утворення провідного каналу під вхідним затвором ( ). Якщо при цьому на першому затворі секції перенесення існує досить велика негативна напруга, тобто під цим затвором створена потенціальна яма для дірок, то дірки будуть виходити з витоку, проходити через канал під вхідним затвором і накопичуватися у потенціальний ямі під першим затвором.

На початку наступного такту дія напруги на вхідному затворі припиняється. Внаслідок цього зникає провідний канал під вхідним затвором. Отже, відбувається запис інформації, наприклад логічної одиниці, оскільки під першим затвором секції перенесення залишився пакет дірок (для запису логічного нуля під час першого такту роботи ПЗЗ на вхідний затвор не повинна подаватися негативна напруга).

Після зміни напруг на затворах секції перенесення найбільша негативна напруга діятиме на другому затворі секції перенесення, і тому пакет дірок пересунеться до потенціальної ями під другим затвором (рис. 4.25 в). Під час наступних тактів зміни напруги на затворах секції перенесення відбувається подальше пересування пакета дірок у напрямі вихідної секції (рис. 4.25 г, д).

Якщо у потенціальних ямах, що підходять до – переходу стоку, немає дірок, то струм стоку не змінюватиметься. Лише у тому разі, коли до стоку підійде потенціальна яма, яка містить у собі дірки, у колі стоку діятиме імпульс струму, оскільки дірки з потенціальної ями екстрагуватимуть до області стоку через – перехід у зворотному ввімкненні.

До основних параметрів польових ПЗЗ належать такі:

1 Нижня гранична тактова частота, яка зв’язана з процесом накопичення дірок у пустих потенціальних ямах за рахунок термогенерації впродовж десятків мілісекунд. Це призводить до спотворення рівня логічного нуля, записаного у потенціальній ямі. Для запобігання цьому нижня гранична частота вибирається у діапазоні одиниць – десятків кілогерц.

2 Верхня гранична тактова частота, що визначається часом перетікання заряду з однієї потенціальної ями до іншої. Досягає десятків мегагерц.

3 Ефективність передачі заряду

,

що показує, яка частка заряду переноситься з однієї потен­ціальної ями і до іншої і+1. Для якісних ПЗЗ коефіцієнт наближається до одиниці.

Рисунок 4.25 - Структура ПЗЗ з тритактним живленням затворів секції перенесення (а)

і пояснення принципу його дії (б, в, г, д):

б) запис логічної одиниці за допомогою інжекції пакета дірок до потенціальної ями під першим затвором секції перенесення; в) перенесення пакета дірок до наступних потенціальних ям при зміні потенціалів на електродах затвора; г) зчитування логічної одиниці на виході приладу під час екстракції дірок з потенціальної ями в р⁺ - область стоку; д) запис логічного нуля за відсутності негативного потенціалу на електроді затвора

Але втрата заряду і, отже, інфор­мації неминуче трапляється за рахунок захоплення дірок поверхневими енергетичними рівнями «пасток», тобто внаслідок дії поверхневої рекомбінації. Тому достатня величина вихідного сигналу може бути одержана при передачі заряду на невелику кількість тактів (не більше сотні) і впродовж малого часу. З метою усунення цього недоліку використовують схеми регенерації, що реалізуються за допомогою підсилювачів. Зчитуваний з ПЗЗ сигнал підсилюється, формуються його рівні («1» або «0»), а потім здійснюються перезапис цього сигналу в ПЗЗ. Для тривалого зберігання інформації ланцюжок ПЗЗ замикають у кільце. Регенерація інформаційного заряду, як правило, супроводжується виводом інформації, тобто реалізується ПЗЗ з неруйнівним зчитуванням інформації.

Напівпровідникові польові ПЗЗ застосовуються у запам’ятовувальних пристроях ЕОМ, у пристроях перетво­рення оптичного зображення в електричний сигнал (у телебаченні), в лініях задержки аналогових сигналів тощо.