MOS-Kapazität als Speicher freier Ladungsträger

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1 MOS-Kapazität als Speicher freier Ladungsträger Werden freie Elektronen der Grenzschicht zugeführt, z.b. durch inneren Photoeffekt, kompensieren diese teilweise die positive Ladung auf dem Gate es sind weniger kompensierende negative Akzeptoren notwendig. Spannungsabfall über Oxidschicht wächst, Spannungsabfall über Halbleiter sinkt, Verarmungsschicht wird schmaler, Verarmungsschicht wirkt als Speicher für freie Elektronen Einfluss von Dotierung (a), Gatespannung (b), Oxidschichtdicke (c) und Anzahl freier Elektronen (d) auf die Größe des Oberflächenpotentials Φ S Speichertiefe (eines Eimers)

2 Ladungstransport längs einer CCD (charge coupled device) Transport von Minoritätsträgern in einer CCD durch Folge digitaler Pulse Mehrphasentakt an den CCD-Gates Beachte: Während des Ladungstransports unter den 4 Elektroden bleiben Gate 1 und Gate 4 auf demselben Potential, damit keine Überlagerung mit anderen Ladungspaketen und keine Verluste auftreten. Transport bestimmt durch thermische Diffusion von Ladungsträgern selbst induzierte el. Felder aufgrund von Trägerdichtegradienten aufgeprägte Felder (lateral: fringing fields) erzeugt durch die Gate-Spannungen und abhängig von der Gate-Geometrie

3 Transportzeit und Transporteffizienz a)verlauf des Oberflächenpotentials ohne laterales Feld b)verlauf des Oberflächenpotentials mit lateralem Feld für eng benachbarte, kurze Elektroden E f,min minimales laterales Feld nimmt ab mit der Dotierung und Elektrodenlänge Nur für eine hinreichend lange Transportzeit (800 ps) ist die Transporteffizienz Anteil einer durch eine CCD-Zelle transportierten Ladung groß (99,99%). Das laterale Feld verkürzt erheblich die Transportzeit und (bei gegebener Transportzeit) die Transporteffizienz.

4 Transportparameter Transportzeit für eine Transporteffizienz von 99,99% als Funktion der Elektrodenlänge L und mit Dotierung als Parameter Relativ langsam ist die durch 2 8 π Dn Q n(t) = Q 2 n(0)exp( t) 2 π 4L beschriebene thermische Diffusion Schneller Transport, allerdings nur der aller ersten Ladungen, durch selbstinduziertes Feld Sehr schneller Transport des Hauptteils des Ladungspakets durch das aufgezwungene laterale elektrische Feld Hohe Transporteffizienz durch hohe laterale Felder und Minimierung von als Haftstellen wirkenden Oberflächenzuständen

5 Optimierung des lateralen elektrischen Feldes Potentialverläufe in p-si in verschiedenen Abständen von dem SiO 2 -Si Interface Das minimale laterale el. Feld unter einer Elektrode wird in einer gewissen Tiefe (B) maximal! Dies (Waldner und Esser 1972) führte zur BCCD, buried channel CCD mit tiefer gelegenen Speicherorten. Vorteilhaft auch weniger Verluste durch Oberflächen- Trapping. BCCD im Vergleich zum SCCD: höhere Transporteffizienz, potentiell höhere Taktfrequenzen, geringeres Rauschen (weniger Ladungsaustausch mit Oberflächenzuständen)

6 BCCD buried channel CCD a)und b): SCCD (surface CCD) Potentialverlauf ohne freie Elektronen bzw. mit freien unter der Oberfläche gespeicherten Elektronen c) und d): BCCD ohne bzw. mit freien Elektronen oberflächliche n-dotierung im p- Substrat so gewählt, dass ohne freie Elektronen die n-schicht völlig verarmt ist an Elektronen; nicht kompensierte positive Ionen heben das Potentialmaximum Φ Ch im Si-Bulk über die Gate-Spg. V G. Beim BCCD liegt das Potentialmaximum nicht an der Grenzfläche sondern tiefer im Bulk! Die Speicherung freier Elektronen im BCCD verkleinert Φ Ch und bringt sie näher der Oberfläche; Ladungen nicht völlig gespeichert im vergrabenen Kanal, sondern auch unter Oberfläche.

7 Speicherfähigkeit einer MOS-Kapazität - Sättigungsladung a) El. Ersatzschaltbild eines SCCD-Elements Maximal unter der Oberfläche speicherbare Ladung: Qn,sat = C ox(vg V T) V T Gate-Spannung, bei der die Minoritätsträgerdichte in der Inversionszone - erreichbar mit freien Ladungsträgern (hier Elektronen) unter der Oberfläche - gleich der Majoritätsdichte im Bulk wird b) El. Ersatzschaltbild eines BCCD-Elements. Maximale Ladung, die auf der Oxidkapazität C ox und der seriellen Kapazität C D1 der oberen Verarmungsschicht gespeichert werden kann: CoxCD1 Q n,sat = (VG V T) kleiner ca. um den Faktor 3 als beim SCCD! C + C ox D1

8 CCD Eingangsstruktur Als analoger Speicher verschiedener Ladungen benötigt die CCD einen Eingang. Eine Diode am Eingang liefert der Folge von MOS-Kapazitäten, welche an Majoritäten (Löchern) stark verarmt sind, Minoritätsträger (Elektronen) in der gleichen Weise, wie dies am Source-Eingang eines MOS-FET geschieht im Beispiel liefert V S = 5 V freie Elektronen in die Potentialsenke unter dem Gate mit V G = 10 V. Eine elektrische Spannung wird in ein Ladungspaket umgesetzt. Die maximal einkoppelbare Ladung ist wieder gegeben durch Q = C (V V ) n,sat ox G T Ein 4-Phasen oder 3-Phasen (Standard) oder 2- Phasen oder 1+1/2-Phasen Takt treibt die Ladung zum Ausgang.

9 Floating-diffusion Ausgang t 1 : Auszulesenes Ladungspaket sei unter Φ 3 gespeichert und MOS-FET schaltet V DD durch zum Diodenausgang. Floating diffusion Ausgang wird dann rückgesetzt auf V DD und am Sourcefolgerausgang erscheint nahezu dieselbe Spannung t 2 : Rücksetzender MOS-FET wird gesperrt, Diodenausgang floatet. Fallende Flanke von Φ R koppelt über die Gate-Kanalkapazität C p in das n + -Gebiet eine kleine Elektronenladung und senkt damit ein wenig V out t 3 : Φ 3 wird abgesenkt und die auszulesene negative Ladung wird unter das Gate mit konstanter Gleichspannung V DC verschoben. Die nun auf der floatingdiffusion Kapazität zusätzlich gespeicherten Elektronen senken das Potential des n + -Gebietes weiter ab. V out erhält einen Treppenverlauf. t 4 : Das nächste Ladungspaket wird unter das Gate Φ 3 getaket usw.

10 Elektrische Beschreibung des floating-diffusion Ausgangs Gate-Kanal Kapazität Timing-Diagramm des Auslesens am floating-diffusion Ausgang V V * out out = = C G FD SF V Qn + C p * out Floatingdiffusion Kapazität Ersatzschaltbild des floatingdiffusion Ausgangs Parasitäre Gate-Kanal Kapazität C p sollte möglichst klein sein. Gleiches wird von C FD gefordert, um den Spannungshub pro Elektron groß zu erhalten. Erreicht wird heute: C FD + C p = ff und damit µv/elektron vermindert um die Spannungsverstärkung G SF 0,9

11 Picture element - pixel Bildelement eines Bildsensors: a) n + - p Übergang in Sperrrichtung gepolte Photodiode. b) MOS-Kapazität mit semitransparenter Elektrode extern induzierter n-p Übergang Trennung der durch Strahlung erzeugten Elektron-Lochpaare durch das Feld des n-p Übergangs. Elektronen werden eingefangen unter der SiO 2 -Schicht, Löcher abgeführt in das p-substrat. Die Integration der in der Expositionszeit erzeugten Photoladungen erfolgt auf der in Sperrichtung gepolten, elektrisch isolierten Kapazität des Übergangs. Durch die generierte Photoladung sinkt die Spannung über der Kapazität und verringert sich die Breite des Verarmungsgebiets.

12 Auslesestrukturen für eine Photodiode a) MOS-FET mit Ausleseleitung (Video) Vorteil: Einfache Herstellung Nachteil: MOS-FET verbindet die kleine Pixel- Kapazität mit der großen Kapazität der Videoleitung Dies bedingt stärkeres Rücksetzrauschen. b) Analoges CCD-Schieberegister Nachteil: Aufwendigere Technologie Vorteil: Photoladung wird in die kleinere Kapazität der Ausgangsdiode transferiert. Rücksetzrauschen ist geringer! Obige Photodiode kann auch durch MOS-Kapazität ersetzt werden.