Цель лекции: ознакомить слушателей с устройством, принципами работы и возможностями современных сенсоров на КМДП(КМОП)-транзисторах, в частности, с таким достижением современной технологии, как высокоразрешающие быстродействующие светочувствительные матрицы для восприятия черно-белых и цветных изображений. Продемонстрировать возможности использования для целей сенсорики приборов с отрицательными участками ВАХ и газоразрядных приборов.

10.1. Cенсоры на полевых транзисторах

10.1.1. Структура и физика работы полевого транзистора

Типичная структура полевого транзистора с изолированным затвором показана на рис. 10.1. Над промежутком между двумя областями \[ n \] -типа, сформированными возле поверхности пластины кремния \[ p \] -типа, создан тонкий (~ 0,1 мкм) слой диэлектрика (нитрида или окисла кремния), на который нанесен металлический электрод вентиля. Остальная поверхность кремния защищена толстым слоем окисла кремния \[ (SiО_2) \] . На нем сформированы металлические электроды, которые через окна в окисле контактируют с \[ n \] -областями. В процессе работы одну из \[ n \] -областей соединяют с положительным полюсом источника напряжения. Ее называют "истоком". Другую \[ n \] -область соединяют с отрицательным полюсом и называют "стоком".

Рис. 10.1. Типичная МДП структура полевого транзистора

Когда в тонком слое диэлектрика электрическое поле отсутствует, ток между истоком и стоком практически равен нулю из-за наличия \[ p-n \] -перехода, смещенного в обратном направлении. Электрод вентиля, тонкий слой диэлектрика и кремний \[ p \] -типа в вертикальном разрезе образуют структуру "металл – диэлектрик – полупроводник" (сокращенно МДП ). Поэтому транзисторы такой структуры называют еще МДП транзисторами.

Если на электроде вентиля появляются положительные электрические заряды, то в тонком слое диэлектрика и в приповерхностной области кремния возникает электрическое поле. Имеющиеся в кремнии свободные электроны проводимости, под действием этого поля притягиваются к диэлектрику, изменяя объемный электрический заряд приповерхностной области. Если напряжение на МДП структуре достигает определенного порогового уровня, то происходит инверсия электропроводности кремния в приповерхностной области, и здесь формируется тонкий канал \[ n \] -типа проводимости. Его называют "индуцированным" каналом. Через этот канал от истока к стоку может протекать электрический ток: МДП транзистор "открывается". При дальнейшем возрастании напряжения на МДП структуре канал расширяется, его сопротивление уменьшается, и электрический ток между истоком и стоком возрастает. Металлический электрод этой структуры именно потому и называют "вентилем" или "затвором", что с его помощью, используя совсем незначительную мощность, можно управлять намного более мощным электрическим током от истока к стоку.

Если тонкий слой диэлектрика в структуре полевого транзистора выполнен из окисла, то структуру "металл–окисел–полупроводник" сокращенно называют МОП структурой, а соответствующий транзистор – МОП транзистором.

МДП транзисторы вышеописанной структуры называют \[ n \] -канальными. На поверхности полупроводника \[ n \] -типа можно создать аналогичную структуру, сформировав приповерхностные области \[ p \] -типа. Образовавшийся полевой транзистор будет \[ p \] -канальным.

Одна из наиболее широко применяемых сейчас технологий изготовления микросхем позволяет одновременно формировать на поверхности кремния как \[ n \] -канальные, так и \[ p \] -канальные транзисторы. Такую технологию называют \[ КМОП (КМДП) технологией \] , где буква "К" является сокращением от слова "комплементарный" (взаимодополняющий). Микросхемы, образованные из комплементарных \[ n \] -канальных и \[ p \] -канальных транзисторов, оказались удивительно экономичными. С их помощью удалось совместить малое потребление мощности с высоким быстродействием и с очень малыми размерами элементов. А это позволило создавать СБИС (сверхбольшие интегральные схемы) с уровнем интеграции порядка миллиона элементов на одном кристалле.

Из описанной выше физики работы полевого транзистора видно, что его можно использовать как элемент, чувствительный к изменениям электрического заряда или потенциала на вентильном электроде (затворе). А эти последние могут быть обусловлены влиянием разнообразных внешних факторов, которые следует контролировать. Это могут быть, например, химические изменения в веществе, нанесенном на вентильный электрод, или изменения электрохимического потенциала, которые мы рассмотрим дальше.

10.1.2. МДП фоточувствительный элемент

Если на поверхности кремния рядом или над МДП транзистором сформировать фотодиод, то образуется транзисторная структура, чувствительная к внешнему свету. Чаще всего ее используют по схеме, показанной на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Схема функционирования фоточувствительного элемента из фотодиода и МДП транзистора

Перед началом работы анод фотодиода подключают к источнику напряжения \[ +Е \] . Конденсатор, образованный МДП структурой, т.е. затвором, тонким слоем диэлектрика и основой из кремния, заряжается до этого напряжения. Когда анод фотодиода перемыкают на "землю", фотодиод запирается, электрический ток через него не течет, и электрический заряд, накопленный на затворе, может при отсутствии света сохраняться очень долго. Если фотодиод осветить, то в нем появляется фототок, и часть электрического заряда стекает из вентильного электрода на "землю". Чем больше световая "экспозиция", т.е. произведение светового потока на время освещения, тем большая часть начального электрического заряда стекает, и тем меньшим становится потенциал вентильного электрода.

10.1.3. Матрица фоточувствительных элементов

Из таких фоточувствительных элементов на поверхности кремния можно сформировать целую матрицу. Для того, чтобы поочередно считывать из фоточувствительных элементов информацию о полученной ими световой экспозиции, надо в каждый из них встроить еще транзисторный ключ. Тогда можно организовать процесс поочередного считывания информации во времени, открывая ключ лишь в нужный момент, когда очередь подошла к данному чувствительному элементу. КМДП технология позволяет сформировать требуемые ключи тоже в виде МДП транзисторов. Таким образом, каждый элемент простейшей светочувствительной КМДП матрицы для восприятия черно-белых изображений состоит из одного фотодиода и двух МДП транзисторов ( рис. 10.3). МДП транзистор, к затвору которого присоединен фотодиод, мы будем называть "чувствительным"

Рис. 10.3. Схема организации считывания информации с простейшей черно-белой светочувствительной МДП матрицы

Отдельные ячейки светочувствительной матрицы на рис. 10.3 выделены штриховыми прямоугольными рамками. У левой верхней ячейки выводы пронумерованы. Выводы 1 всех элементов соединяются с коммутатором режима, который для упрощения на рис. 10.3 не показан. Выводы 2 всех элементов в строке матрицы соединяются с горизонтальной шиной, подключенной к соответствующему выходу коммутатора строк. Выводы 3 всех элементов соединены с общим "видеовыходом" матрицы. Он тоже на рис. 10.3 не показан. Выводы 4 всех элементов, расположенных в одном и том же столбце матрицы, соединены с соответствующей вертикальной шиной, подключенной к соответствующему выходу коммутатора элементов в строке.

Функционирует схема так. В самом начале коммутатор режима работы подает на аноды всех фотодиодов напряжение \[ +E \] . Это – режим подготовки к экспозиции, в ходе которого на затворах МДП транзисторов накапливается положительный электрический заряд. В режиме экспозиции этот коммутатор перемыкает аноды фотодиодов на "землю". На матрицу с помощью высококачественного объектива проецируют изображение, которое надо воспринять и преобразовать в информационный видеосигнал. Под действием света в фотодиодах протекает ток, и часть электрического заряда стекает на "землю". Когда заканчивается время экспозиции, коммутатор отсоединяет аноды фотодиодов от "земли", и ток через изолированные фотодиоды прекращается, даже если на них продолжает действовать свет.

В режиме считывания видеосигнала коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на истоки чувствительных МДП транзисторов первой строки матрицы, а коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения сначала на свой первый выход. Вследствие этого ключевые МДП транзисторы 1-го столбца матрицы (С1) приоткрываются. На видеовыход матрицы при этом может вытекать ток считывания лишь с 1-го элемента 1-й строки. В следующем такте коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения на свой 2-й выход, вследствие чего ключевые МДП транзисторы 1-го столбца матрицы закрываются, а во 2-м столбце (С2) открываются. На видеовыход матрицы теперь вытекает ток считывания лишь со 2-го элемента 1-й строки. В следующих тактах аналогично "снимаются" токи считывания последовательно с 3-го, 4-го и т.д. элементов 1-й строки. После того как "снят" ток считывания с последнего элемента 1-й строки, коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на истоки чувствительных МДП транзисторов 2-й строки матрицы, а коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения снова на 1-й свой выход. На видеовыход матрицы вытекает ток считывания с 1-го элемента 2-й строки. В следующих тактах коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения поочередно на все свои выходы, вследствие чего считывается информация со всей 2-й строки матрицы. И так строка за строкой считывается информация обо всем изображении.

На этом примере Вы можете видеть, как именно наблюдаемое состояние контролируемого объекта преобразуется в сложный информационный сигнал. Ничего таинственного в этом нет. Реальный объект сначала с помощью фотообъектива проецируется в изображение на матрице чувствительных элементов. А цепочка определенным образом организованных электрических процессов приводит к выработке соответствующим способом организованной последовательности электрических сигналов, однозначно описывающей это изображение и позволяющей восстановить его на экране монитора.