НОУ ІНТУЇТ | лекція | Сенсори на польових транзисторах і на приладах з негативною ВАХ. газорозрядні сенсори

1. 10.1. Cенсор на польових транзисторах
2. 10.1.2. МДП фоточутливий елемент
3. 10.1.3. Матриця фоточутливих елементів

Анотація: Описано пристрій і фізика роботи польових транзисторів, їх застосування в чорно-білих і кольорових світлочутливих КМДП-матрицях. Пояснені фізичні основи роботи приладів з негативними ділянками ВАХ і газорозрядних сенсорів для вимірювання температури, радіоактивних випромінювань і т. Д.

Мета лекції: ознайомити слухачів з пристроєм, принципами роботи і можливостями сучасних сенсорів на КМДП (КМОП) -транзісторах, зокрема, з таким досягненням сучасної технології, як високоразрешающем швидкодіючі світлочутливі матриці для сприйняття чорно-білих і кольорових зображень. Продемонструвати можливості використання для цілей сенсорики приладів з негативними ділянками ВАХ і газорозрядних приладів.

10.1. Cенсор на польових транзисторах

10.1.1. Структура і фізика роботи польового транзистора

Типова структура польового транзистора з ізольованим затвором показана на Мал. 10.1 . Над проміжком між двома областями -типу, сформованими біля поверхні пластини кремнію -типу, створений тонкий (~ 0,1 мкм) шар діелектрика (нітриду або оксиду кремнію), на який нанесений металевий електрод вентиля. Решта поверхню кремнію захищена товстим шаром оксиду кремнію . На ньому сформовані металеві електроди, які через вікна в оксиді контактують з -область. В процесі роботи одну з -область з'єднують з позитивним полюсом джерела напруги. Її називають "джерелом". іншу -область з'єднують з негативним полюсом і називають "стоком".

Мал.10.1.

Типова МДП структура польового транзистора

Коли в тонкому шарі діелектрика електричне поле відсутнє, ток між витоком і стоком практично дорівнює нулю через наявність -переходу, зміщеного в зворотному напрямку. Електрод вентиля, тонкий шар діелектрика і кремній -типу в вертикальному розрізі утворюють структуру "метал - діелектрик - напівпровідник" (скорочено МДП). Тому транзистори такої структури називають ще МДП транзисторами.

Якщо на електроді вентиля з'являються позитивні електричні заряди, то в тонкому шарі діелектрика і в приповерхневої області кремнію виникає електричне поле. Наявні в кремнії вільні електрони провідності, під дією цього поля притягуються до діелектрика, змінюючи об'ємний електричний заряд приповерхностной області. Якщо напруга на МДП структурі досягає певного порогового рівня, то відбувається інверсія електропровідності кремнію в приповерхневої області, і тут формується тонкий канал -типу провідності. Його називають "індукованим" каналом. Через цей канал від джерела до стоку може протікати електричний струм: МДП транзистор "відкривається". При подальшому зростанні напруги на МДП структурі канал розширюється, його опір зменшується, і електричний струм між витоком і стоком зростає. Металевий електрод цієї структури саме тому і називають "вентилем" або "затвором", що з його допомогою, використовуючи зовсім незначну потужність, можна управляти набагато більш потужним електричним струмом від джерела до стоку.

Якщо тонкий шар діелектрика в структурі польового транзистора виконаний з оксиду, то структуру "метал-окисел-напівпровідник" скорочено називають МОП структурою, а відповідний транзистор - МОП транзистором.

МДП транзистори вищеописаної структури називають -Канальний. На поверхні напівпровідника -типу можна створити аналогічну структуру, сформувавши приповерхневих області -типу. Утворився польовий транзистор буде -Канальний.

Одна з найбільш широко застосовуваних зараз технологій виготовлення мікросхем дозволяє одночасно формувати на поверхні кремнію як -канальні, так і -канальні транзистори. Таку технологію називають , Де буква "К" є скороченням від слова "комплементарний" (взаємодоповнюючий). Мікросхеми, утворені з комплементарних -Канальний і -Канальний транзисторів, виявилися дивно економічними. З їх допомогою вдалося поєднати мале споживання потужності з високою швидкодією і з дуже малими розмірами елементів. А це дозволило створювати НВІС (надвеликі інтегральні схеми) з рівнем інтеграції близько мільйона елементів на одному кристалі.

З описаної вище фізики роботи польового транзистора видно, що його можна використовувати як елемент, чутливий до змін електричного заряду або потенціалу на вентильному електроді (затворі). А ці останні можуть бути обумовлені впливом різноманітних зовнішніх факторів, які слід контролювати. Це можуть бути, наприклад, хімічні зміни в речовині, нанесеному на вентильний електрод, або зміни електрохімічного потенціалу, які ми розглянемо далі.

10.1.2. МДП фоточутливий елемент

Якщо на поверхні кремнію поруч або над МДП транзистором сформувати фотодіод, то утворюється транзисторна структура, чутлива до зовнішнього світу. Найчастіше її використовують за схемою, показаної на Мал. 10.2 .

Мал.10.2.

Схема функціонування фоточутливого елемента з фотодіода і МДП транзистора

Перед початком роботи анод фотодіода підключають до джерела напруги . Конденсатор, утворений МДП структурою, тобто затвором, тонким шаром діелектрика і основою з кремнію, заряджається до цієї напруги. Коли анод фотодіода Плазуни на "землю", фотодіод закривається, електричний струм через нього не тече, і електричний заряд, накопичений на затворі, може при відсутності світла зберігатися дуже довго. Якщо фотодіод освітити, то в ньому з'являється фотострум, і частина електричного заряду стікає з вентильного електрода на "землю". Чим більше світлова "експозиція", тобто твір світлового потоку на час освітлення, тим більша частина початкового електричного заряду стікає, і тим меншим стає потенціал вентильного електрода.

10.1.3. Матриця фоточутливих елементів

З таких фоточутливих елементів на поверхні кремнію можна сформувати цілу матрицю. Для того, щоб по черзі зчитувати з фоточутливих елементів інформацію про отриману ними світловий експозиції, треба в кожен з них вбудувати ще транзисторний ключ. Тоді можна організувати процес почергового зчитування інформації в часі, відкриваючи ключ лише в потрібний момент, коли черга підійшла до даного чутливого елемента. КМДП технологія дозволяє сформувати необхідні ключі теж у вигляді МДП транзисторів. Таким чином, кожен елемент найпростішої світлочутливої КМДП матриці для сприйняття чорно-білих зображень складається з одного фотодіода і двох МДП транзисторів ( Мал. 10.3 ). МДП транзистор, до затвору якого приєднаний фотодіод, ми будемо називати "чутливим"

Мал.10.3.

Схема організації зчитування інформації з найпростішої чорно-білої світлочутливої ​​МДП матриці

Окремі осередки світлочутливої матриці на Мал. 10.3 виділені штриховими прямокутними рамками. У лівої верхньої комірки висновки пронумеровані. Висновки 1 всіх елементів з'єднуються з комутатором режиму, який для спрощення на Мал. 10.3 не показаний. Висновки 2 всіх елементів в рядку матриці з'єднуються з горизонтальною шиною, підключеної до відповідного виходу комутатора рядків. Висновки 3 всіх елементів з'єднані із загальним "відеовиходом" матриці. Він теж на Мал. 10.3 не показаний. Висновки 4 всіх елементів, розташованих в одному і тому ж стовпці матриці, з'єднані з відповідною вертикальної шиною, підключеної до відповідного виходу комутатора елементів в рядку.

Функціонує схема так. На самому початку комутатор режиму роботи подає на аноди всіх фотодіодів напруга . Це - режим підготовки до експозиції, в ході якого на затворах МДП транзисторів накопичується позитивний електричний заряд. У режимі експозиції цей комутатор перемикає аноди фотодіодів на "землю". На матрицю за допомогою високоякісного об'єктива проектують зображення, яке треба сприйняти і перетворити в інформаційний відеосигнал. Під дією світла в фотодиодах протікає струм, і частина електричного заряду стікає на "землю". Коли закінчується час експозиції, комутатор від'єднує аноди фотодіодів від "землі", і струм через ізольовані фотодіоди припиняється, навіть якщо на них продовжує діяти світло.

В режимі зчитування відеосигналу комутатор рядків подає позитивний імпульс напруги на витоки чутливих МДП транзисторів першого рядка матриці, а комутатор елементів в рядку подає позитивний імпульс напруги спочатку на свій перший вихід. Внаслідок цього ключові МДП транзистори 1-го стовпця матриці (С1) відкриваються. На відеовихід матриці при цьому може витікати струм зчитування лише з 1-го елемента 1-го рядка. У наступному такті комутатор елементів в рядку подає позитивний імпульс напруги на свій 2-й вихід, внаслідок чого ключові МДП транзистори 1-го стовпця матриці закриваються, а в 2-му стовпці (С2) відкриваються. На відеовихід матриці тепер випливає ток зчитування лише з 2-го елемента 1-го рядка. У наступних тактах аналогічно "знімаються" струми зчитування послідовно з 3-го, 4-го і т.д. елементів 1-го рядка. Після того як "знятий" ток зчитування з останнього елемента 1-го рядка, комутатор рядків подає позитивний імпульс напруги на витоки чутливих МДП транзисторів 2-го рядка матриці, а комутатор елементів в рядку подає позитивний імпульс напруги знову на 1-й свій вихід. На відеовихід матриці випливає ток зчитування з 1-го елемента 2-го рядка. У наступних тактах комутатор елементів в рядку подає позитивний імпульс напруги по черзі на всі свої виходи, внаслідок чого зчитується інформація з усією 2-го рядка матриці. І так рядок за рядком зчитується інформація про все зображенні.

На цьому прикладі Ви можете бачити, як саме бачимо стан контрольованого об'єкта перетворюється в складний інформаційний сигнал. Нічого таємничого в цьому немає. Реальний об'єкт спочатку за допомогою фотооб'єктива проектується в зображення на матриці чутливих елементів. А ланцюжок певним чином організованих електричних процесів призводить до вироблення відповідних способом організованою послідовності електричних сигналів, однозначно описує це зображення і дозволяє відновити його на екрані монітора.