Электростатика

геликоны
.
Магнитное поле должно 
быть достаточно сильным, чтобы радиус орбиты носителей 
R
был много меньше длины свободного пробега носителей 
R
l
. 
Геликоны представляют собой динамические неоднородности 
уже электромагнитной природы. 
4.1.4. Устройства управления динамическими 
неоднородостями 
 
Существуют различные способы управления распростра-
нением динамических неоднородностей в полупроводниках, но 
все они основываются на эффекте воздействия поля на динами-
ческие неоднородности. Рассмотрим некоторые примеры. 
Подавая на каждый последующий электрод цепочки 
МОП-конденсаторов (рис. 4.6, 
а
) напряжение выше предыдуще-
го, можно осуществить процесс перетекания заряда во все более 
глубокую потенциальную яму. Однако такой процесс не может 
быть долгим потому, что легко может быть получено пробивное 
напряжение. Для перемещения зарядовых пакетов удобно ис-
пользовать импульсы напряжения трапецеобразной формы (рис. 
4.6, 
б
). 

---

123 
В момент подачи импульса напряжения на электрод 1, на 
электроде 2 напряжение мало. С уменьшением амплитуды так-
тового импульса 
U
1
увеличивается амплитуда импульса 
U
2
. Со-
ответственно потенциальная яма под электродом 1 уменьшает-
ся, а под электродом 2 увеличивается (рис. 4.6
в
, 
г
) Зарядовый 
пакет из-под электрода 1 перемещается под электрод 2. Воз-
можно обратное перемещение заряда в случае обратной после-
довательности подачи напряжения, перенос зарядов осуществ-
ляется в три стадии. 
Рис. 4.6. Зарядовая связь между двумя МОП-конденсаторами: 
а
- сечение МОП-конденсаторов; 
б
- импульсы, подаваемые на 
электроды; 
в
- зарядовый пакет в левой потенциальной яме;
г
- сформированная пустая потенциальная яма;
д
- перенос зарядового пакета самоиндуцированным дрейфом; 
е
- перенос зарядов краевым полем; ж - перенос зарядов
диффузией;
з
- зарядовый пакет в правой потенциальной яме 

---

124 
В начальный момент, когда яма полностью заполнена и 
зарядовый пакет имеет максимальную величину, перенос про-
исходит из-за электростатического расталкивания инверсион-
ных электронов. Как только часть носителей попадает в потен-
циальную яму под второй электрод, возникает градиент плот-
ности заряда и соответственно градиент электрического поля. 
Именно это поле вызывает ток носителей или самоиндуциро-
ванный дрейф (рис. 4.6,
д
). Величина заряда в первой яме 
уменьшается по гиперболическому закону. Время перетекания 
заряда составляет порядка 10
-9
с. 
С уменьшением зарядового пакета силы расталкивания 
ослабевают и самоиндуцированный дрейф замедляется. Начи-
нается дрейф под действием краевого поля, обусловленного 
разностью потенциалов под соседними электродами. Величина 
краевого поля зависит от амплитуды тактовых импульсов. Дно 
потенциальной ямы под первым электродом наклоняется в сто-
рону перетекания заряда. Угол наклона пропорционален напря-
женности краевого поля (рис. 4.6, 
е
). По гидравлической анало-
гии это соответствует наклону дна сосуда. Основная часть заря-
дового пакета 90 % переносится именно с помощью этого ме-
ханизма (рис. 4.6, 
ж
). 
Это медленная стадия процесса переноса. Эффективность 
переноса определяется величиной 
, 
 
 
 
(4.10) 
где
Q
(
T
) — величина зарядового пакета, успевшего пере-
течь за период такта,
Q
- величина полного зарядового пакета. 
При малом значении 
происходит искажение информа-
ционного сигнала, что недопустимо в устройствах. Оценки по-
казывают, что допустимая неэффективность переноса = - 1
10
-5
. 

---

125 
В момент минимального значения импульса 
U
1
яма под 
электродом 1 схлопнется, в то время как на электроде 2 будет 
максимальное значение амплитуды импульса, а под электродом 
будет локализован практически весь зарядовый пакет (рис. 4.6, 
з
). Цепочка таких МОП-конденсаторов с зарядовой связью об-
разует сдвиговый регистр, предназначенный для транспорти-
ровки и хранения зарядовых пакетов. 
Управлять процессом передачи зарядов можно, управляя 
величиной 
на 
затворах 
зарядово-связанных 
МОП-
конденсаторов. Различают несколько типов ПЗС-регистров, 
различающихся количеством фаз. 
На рис. 4.7 представлена схема накопления и переноса за-
рядовых пакетов в трехфазном ПЗС. Последовательность им-
пульсов на фазах Ф
1
, Ф
2
, имеет периодический характер и тра-
пециевидную форму. Их временная диаграмма представлена на 
рис. 4.7,
в, г, б
. Импульсы следуют с некоторым временным пе-
рекрытием так, чтобы фронт последующего по времени им-
пульса нарастал бы раньше, чем начался спад импульса преды-
дущей фазы. Заметим также, что импульсы имеют некоторое 
постоянное смещение 
U
см
(1 - 3 В), обеспечивающее постоянное 
обеднение поверхности основными носителями. Отсутствие та-
кого напряжения смещения приводило бы к потерям величины 
зарядового пакета вследствие рекомбинации электронов с дыр-
ками. Напряжение на фазах ПЗС-структуры колеблется в преде-
лах 10 - 20 В. 
Формируя симметричные либо асимметричные топологии 
структуры, можно создать также одно-, двух-, четырехтактные 
сдвиговые регистры. Рассмотренный трехтактный ПЗС-регистр 
относится к первому типу, в котором направленность переноса 
зарядового пакета обеспечивается индуцированными потенци-
альными барьерами. Эти барьеры формируются электрически-
ми полями со стороны, противоположной переносу зарядового 
пакета. 

---

126 
Рис. 4.7. Накопление и перенос зарядовых пакетов 
в трехфазном ПЗС (
а
) и диаграммы управляющих импульсов на 
фазах Ф
1
(
б
). Ф
2
(
в
), Ф
3
(
г
) 
Направленность переноса зарядовых пакетов можно обес-
печить с помощью технологически встроенных зарядовых барь-
еров. Такие конструкции относятся ко второму типу сдвиговых 
регистров. 
Асимметричное распределение потенциала, обеспечи-
вающее направление и управляемый перенос зарядовых паке-
тов, можно получить неоднородным распределением примесей 
под электродами, а также изменением толщины слоя диэлек-
трика. 

---

127 
В процессе управляемого переноса информационного сиг-
нала существенную роль играют каналы переноса, которые 
можно классифицировать по признаку локализации. 
Различают: 
- поверхностный канал, расположенный у границы «ди-
электрик – подложка», который обеспечивает высокую зарядо-
вую емкость, простоту технологии. К недостаткам по-
верхностного канала следует отнести невысокое быстродейст-
вие, большие шумы, низкую эффективность переноса; 
- объемный канал, расположенный на глубине 0,2 мкм, на-
зывают мелким, на глубине до 0,5 мкм - глубоким. Достоинст-
вом этого канала является более высокое, чем у поверхностных 
каналов, быстродействие, высокая эффективность переноса из-
за устранения влияния поверхностных ловушек и поверхност-
ного рассеяния носителей. К недостаткам относится небольшая 
зарядовая емкость и усложнениетехнологии производства; 
- перистальтический канал, состоящий из неглубокого ка-
нала с высокой степенью легирования и находящегося под ним 
глубокого канала с небольшой степенью легирования. Такая 
комбинация позволяет достичь оптимального сочетания быст-
родействия и зарядовой емкости. Недостатком является суще-
ственное усложнение технологии производства; 
- многоканальные структуры содержат много каналов пе-
реноса, позволяющие переносить носители зарядов противопо-
ложного знака. Такая сложная конструкция сложна в изготов-
лении, но расширяет функциональные возможности ПЗС-
регистра; 
- канал с резистивным электродам является типом канала, 
в котором перенос заряда осуществляется под действием в ка-
нале электрического поля переменной напряженности. Перенос 
осуществляется механизмом дрейфа носителей. Это является 
ограничивающим фактором на число электродов в регистре при 
достаточно простой его конструкции. 

---

128 
Направленный перенос зарядовых пакетов обеспечивается 
также