HAL Id: jpa-00249265
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Submitted on 1 Jan 1994
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Pressure fields investigation by LPS technology on the aerospacecraft model
A. Andreev, A. Bukov, M. W. Lpatov, S. Kabin, P. Nushtaev, A. Orlov, V.
Mosharov, V. Radchenko, V. Pesetsky, S. Phonov
To cite this version:
A. Andreev, A. Bukov, M. W. Lpatov, S. Kabin, P. Nushtaev, et al.. Pressure fields investigation by LPS technology on the aerospacecraft model. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (11), pp.2317-2327. �10.1051/jp3:1994105�. �jpa-00249265�
J. Phys. III Franc-e 4 (1994) 2317-2327 NOVEMBER 1994, PAGE 2317
Classification Physic-s Abstiacts
47.80 47.40K
Pressure fields investigation by LPS technology on the
aerospacecraft model
A. O. Andreev, A. P. Bukov, M. W. Ipatov, S. V. Kabin, P. D. Nushtaev, A. A. Orlov, V. E. Mosharov, V. N. Radchenko, V. K. Pesetsky and S. D. Phonov
Central Aerohydrodynamic Institute, Zhukovsky, Moscow reg., Russia (Receii,ed 6 April J993, rPi~i.led 8 July J994, accepted 5 August 1994)
Abstract. The results of Luminescence Pressure Sensor (LPS) technology applications for
pressure field measurements on the surface of aerospacecraft model « BURAN
» are presented.
Physical principles of LPS technology, an experimental technique and data reduction method are con~idered. A flow around model was investigated at Mach number range 0.85 = 0.96 and angles of attack range 8° = 16°.
Nomenclature,
P air pressure,
a,, b~, c~, Xu calibration approximation coefficient,
I luminous intensity,
I~ relative intensity,
n luminophore concentration,
R
= (.<, y, z) radius-vector,
I polymer thickness,
T temperature,
U, u, w> signal amplitudes,
h intensity calibration coefficient,
C~ pressure coefficient,
4 luminescence quantum output,
F extinction coefficient.
Introduction,
Pressure distribution measurement on the surface of an aircraft model is one of the main
problem of experimental aerodynamics. With the help of pressure distribution field it is
possible to state flow separation zones, shock wave position, loads distribution, to visualize
aerodynamic interference between aircraft components and to understand in common the
2316 JOURNAL DE PHYSIQUE III N° II [18] Sze S. M., Physics of semiconductor devices (J. Wiley, 1981).
[19] Lax M., Giant traps, J. Phys. Chem Solids 8 (1959) 66-73.
[20] Vadasz L. and Grove A. S., Temperature dependence of transistors characteristics below saturation, I-E-E-E- Trafis. Elecfi.on Dei>ices ED-13 (1966) 863-866.
[21] Bouhdada A., Analyse des transitoires de capacit6 et des courants de fuite dans (es structures MOS, Thbse d'Etat, Marseille ~iuillet, 19871.
N° II DISPOSITIFS A TRANSFERT DE CHARGE EN SURFACE « SCCD » 2315
6, Conclusion.
Nous avons distingud deux modkles de transfert de charge dans les « CCD » le transfert des
charges libres et le transfert des charges incomplktes d0 aux dtats d'interface qui est basd sur la thdorie de gdndration-recombinaison de Shockley, Read et Hall.
Les trois mdcanismes principaux ddcrivant le modkle de transfert de charges libres ont dtd discutds et nous avons montrd que chacun d'eux joue un r61e essentiel h des instants diffdrents de transfert des charges.
La solution numdrique de l'dquation diffdrentielle gdndralisant les trois facteurs a montrd que le champ self-induit domine durant le premier stade mais la majoritd du transfert est contr61d
par le champ de bord dont l'effet est prdponddrant pendant la demikre phase de transfert.
Le ddveloppement du terme ddcrivant le phdnombne de gdndration-recombinaison et son
introduction dans l'dquation de continuitd a conduit h une Equation diffdrentielle plus gdndrale qui englobe l'effet des dtats d'interface.
Les rdsultats d'une telle Equation ont montrd que les dtats d'interface n'ont aucune influence
sur le transfert durant son premier stade mais interviennent pendant la demikre pdriode de transfert et provoquent une perte au niveau de la surface et par consdquent une augmentation de
l'inefficacitd de transfert.
Enfin les rdsultats ont montrd que la ddgradation du signal de charge sous l'effet de la
tempdrature est important tant que celle-ci est dlevde.
Bibiiographie
ill Esser L. J. M. and Sagster, Charge Transfer Devices, vol. 4 (North Holland Pub]. Co. Amsterdam, Hilsum Ed., 1981) pp. 335-421.
[2] Boyle W. S. and Smith G. E., Bell Syst. Tech. J. 49 (1970) 587.
[3] Schroder D. K. ei al., I-E-E-E- ED-29 (1982) 1336.
[4] Amelio G. F., Tompsett M. F. and Smith G. E., Bell. Syst. Tech. J. 49 (1970) 593.
[5] Tompsett M. F., Amelio G. F. and Smith G. E., Charge coupled 8-bit shift register, App/. Phys.
Lett. 17 (1970) 1.
[6] Pierret R. F., Advanced Semiconductor Fundamentals, vol. VI, Modulor Series on Solid State Devices (Addison Wesley Publ. Co., Reading, March, 1986).
[7] Carnes J. E., Kosonocky W. F. and Ramberg E. G., Free Charge Transfer in Charge Coupled
Devices, I-E-E-E- Trans. Electrons Dei>ices ED-19 (1972) 798-808.
[8] Carnes J. E., Kosonocky W. F. and Ramberg, Drift aiding fringing fields in charge-coupled devices, I-E-E-E- J. Solid-State Circuits SC-6 (1971) 322.
[9] Collet M. G. and Esser L. J. M., Charge Transfer Devices, Adv. Solid State Phys. 13 (1973) 337- 358.
[10] Kosonocky W. F. and Carnes J. E., Charge Coupled Digital Circuits, I-E-E-E- J. Solid State Circuiis SC-6 (1971) 314-322.
I Strain R. J. and Schryer N. L., A non-linear diffusion analysis of charge-coupled-devices transfer, Bell Syst. Tech. J 50 (1971) 1721-1740.
[12] Shockley W. and Read W. T., Phys. Rev. 87 (1952) 835.
[13] Hall R. N., Electron-Hole recombination in Germanium, Phys. Ret>. 87 (1952) 387.
j14] Bouassis A., Thbse d'universitd, ENSP Marseille (1989).
jls] Tompsett M. F., The quantitative effects of interface states on the performance of charge-coupled devices. IEEE Eb-20, No. (19731.
j16] Banghart E. K., Lavine J. P., Trakba E. A., Nelson E. T. and Burkey B. C., A model for charge transfer in buried channel CCD, IEEE 38, N° 5 (1991).
j17] Nicollian E. H. and Brews J. R., MOS physics and technology (New-York. Wiley, 1982).
2314 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°
La mobilitd des Electrons en surface varie en I/T, son expression est donnde par [20].
300 (31)
vn ~ f' ART
oh p~~ est la mobilitd h T
=
300 K.
En rempla&ant tous ces paramktres par leurs expressions en fonction de la tempdrature et en
faisant varier cette demikre entre 273 K et 373 K on obtient les courbes reprdsentdes dans la
figure 9. Ces rdsultats ont dtd confirmds dans d'autres travaux effectuds sur le temps de relaxation de la capacitd MOS en fonction de la tempdrature [21].
Si (es dtats d'interface sont ndgligds alors les seuls paramktres ddpendant de la tempdrature
sont la densitd des accepteurs et la mobilitd des Electrons en surface (courbe I).
Si le phdnombne de recombinaison et de pidgeage des charges n'est pas ndgligeable (courbe2), l'inefficacitd de transfert ddpend de la tempdrature h travers les transitions
dlectroniques entre les dtats d'interface et les bandes de conduction et de valence. L'expression
de la constante de temps d'dmission v~~ explicitde prdcddemment (20), diminue exponentielle-
ment lorsque la tempdrature augmente, ainsi une partie des charges pidgdes peuvent joindre le paquet de charge h transfdrer. Mais le facteur de la gdndration therrnique dans la zone de charge d'espace rdduit l'effet des dtats d'interface et rend le transfert plus lent, ce qui favorise un
pidgeage de charges plus important et une augmentation de l'inefficacitd de transfert.
Ainsi la variation de la quantitd de charges gdndrde en fonction de la tempdrature (Fig. 10)
montre que la gdndration des porteurs au sein de l'interface augmente au fur et h mesure que la
tempdrature augmente, ce qui rend la vitesse de gdndration interfaciale S plus importante et favorise une augmentation de l'inefficacitd de transfert.
1o.0
pm = 1500 cm ~Is
< £ = 0.2 eV
[ £A ~ 0.0~i eV_~
_~
~-
Nt = 10
~~ cm _pV
~g ~ ~
No = cm
gj
©
~$ 6.0
c ,u m
©~
O
~
~'~ ~~
~ -~
3
'r C
~O
2,0
3.00 3 3.80
1000/T (°K")
Fig. lo. Influence de la tempdrature sur la quantitd de charge captde par (es dtats d'interface lors du transfert du signal de charge avec une pdriode de transfert de I ns.
[Temperature influence on the fraction of charge trapped by the interface states during a transfer period of the charges transfer equal to I ns.]
N° II DISPOSITIFS A TRANSFERT DE CHARGE EN SURFACE « SCCD » 2313 Electrons «~, la mobilitd des Electrons moyenne p~ et la densitd des accepteurs qui est donnde par l'expression (27) [18].
N(
=
~~
(27)
1+gA.exp( K~~T
oh NA est la densitd totale des accepteurs, EA le niveau dnergdtique des accepteurs par rapport
au quasi-niveau de Fermi des trous et gA est le facteur de ddgdndrescence des accepteurs.
La vitesse thermique et la densitd d'dtat varient en fonction de la tempdrature en
T'~~ et T~~~ [18] respectivement ; leurs expressions sont donndes par
~3 K. T (28)
Vth "
~ *
N~=12.
(~'"'~l'~'~
~~~ (29)h-
oh m* est la masse effective d'dlectrons et h est la constante de Planck.
La section efficace de capture des Electrons est fonction de T~~ [19].
«~ =
l,8 x 10~ ~~ ~~ ~
cm~ (30)
~n =
500 cm ~/s
q = 10f
Nt _~
= lo cm ev~
~6 £ = 0.2 eV
m i~ E~ = 004_$V
j = f 0_~ cm
j~) dox " ~.l( CQ
~ No = lo cm
j
j
fl
-~ (ii
al
t 4
u o u
~Z c
3.2 3
000 /T (°K~
Fig. 9. -Effet de la tempdrature sur l'inefficacitd de transfert en prdsence et en absence des (tats d'interface.
jTemperature effect on the transfer inefficiency in absence (I) and presence (2) of interface states.]
2312 JOURNAL DE PHYSIQUE III N° II
0~
,0~
(n
fi ~'
E /
~ /
o '
~ lo
©
f~
( ~n = 5)~0 cm (Is
Nt = lo cm eV
o~ E = 0.2 eV
01 T = 300 )K
~ L
= 4.10_~ cm
dox=5.lj cq~
No = 10 ~ cm'
Vg = 10V
in
Tennps Ins i.%
Fig. 8. Vanation temporelle de la quantitd de charges captde par les dtats de surface.
[Variation of the fraction of charge trapped by the interface states in terms of the time.]
Ainsi l'dquation gdndrale de transfert sera donnde par une Equation diffdrentielle non
lindaire (26).
~ni~ ~~ = ~ii~« n(x, t) +
nj ~n)i <i
+ ii~~ ~ni ~~ + vn E~~l~ni ~~
~n ~th (rift ~Tot) + (
+ fl(.I, tl' "n thj
'~ (X, t +
~~ (26)
ne ne
Les courbes reprdsentant l'dvaluation en fonction du temps de l'inefficacitd de transfert en
prdsence des dtats d'interface sont portdes sur la figure 7. Ces courbes montrent que durant le
premier stade du transfert les dtats de surface sont ndgligeables, ce qui est expliqud par le fait
que les centres d'interface ne peuvent pas suivre le signal et dans ce cas les dtats d'interface
n'ont aucune influence sur le transfert [17].
Au dernier stade de transfert, les dtats de surface interviennent et provoquent une perte de charge au niveau de la surface et par voie de consdquence augmentent l'inefficacitd de
transfert.
La quantitd de charge capturde par les dtats d'interface augmente jusqu'h l'dtat de saturation
correspondant h la quantitd de charge maximum de pidgeage des charges par les dtats d'interface ok tous les dtats sont occupds. Ainsi la variation temporelle de la quantitd de charge
normalisde perdue au niveau de la surface est donnde sur la figure 8.
5. Influence de la tempkrature sur l'inefficacitk de transfert.
Plusieurs termes de l'dquation diffdrentielle (26) ddcrivant le transfert ddpendent de la
tempdrature : la densitd d'dtat N~, la vitesse therrnique V~~, la section efficace de capture des
N° II DISPOSITIFS A TRANSFERT DE CHARGE EN SURFACE
« SCCD ~> 2311
Alr'si "dquation ddcrivant le phdnomkne de gdndration et recombinaison prendra la forme suivante
dn~(t) n~~~ j
~
dt T~~ ~ ~
~~
~~~ ~~~ ~~°~~ ~ T~~
~ ~ ~~ ~~~ ~~~~
L'interaction du signal de charge avec les dtats de surface est le plus important aspect des CCD du point de vue pratique. Lors du stockage des Electrons sous une Electrode, quelques
dlectrons transitent de la bande de conduction aux dtats de surface dont l'dnergie est trks faible
et ok ils seront pidgds. Quand le reste des dlectrons de la bande de conduction est transfdrd h
l'dlectrode voisine, (es (tats de surface commencent h dmettre les Electrons dans la bande de conduction.
Le modkle de transfert de charge considdrd jusqu'h maintenant concerne seulement les
Electrons libres dans la bande de conduction et nous avons ndgligd les transitions des Electrons
entre la bande de conduction et les niveaux d'dnergie situds dans la bande interdite. Pour en
tenir compte des dtats de surface le modble de transfert des charges sera ddcrit par l'dquation de continuitd suivante :
oh ~~~
est le terme qui ddcrit le processus de recombinaison-gdndration.
at
1o
~ QJ
~ ln C O
~
~ 4J
7J o~ &
t Nt = o cm eV~
Q E = 0.2 jV ' '
g T
= 300_,K '
_ lo L =
dox = 5.I( cfi '
4~ No =10 cm '
fi Vg = 10V
io
o.
ennps
Fig. 7.-Variation temporelle de l'inefficacitd de transfert en prdsence et en absence des (tats d'interface.
[Time-dependent transfer inefficiency. Dotted line indicates the transfer inefficiency proceed in absence of interface states.]
JOURNAL DE PHYSIQUE fit T 4 N. NOVEMBER >994 81
23 lo JOURNAL DE PHYSIQUE III N°
2.4
~ '
<t .
~ .
E
i>
~o
C~
~
I
~I ,
b
>n -
~
£
~ l
~
*
~ » e
© ,~
i
°I -I
nergie (e~)
Fig. 6. - de
[Variation of
N° I DISPOSITIFS A TRANSFERT DE CHARGE EN SURFACE « SCCD » 2309 Ce comportement de gdndration-recombinaison au niveau de la surface peut se rdsumer en processus de capture et d'dmission des Electrons par (es niveaux d'dnergie discrets h l'intdrieur de la bande interdite et il est ddcrit par la thdorie de Shockley-Read-Hall [12, 13].
L'dquation qui ddcrit ce processus est donnde par
~~~= '~ ~~
(18)
~t ~nc ~ne
oh n est la densitd d'dlectron libre, nj densitd des Electrons capturds par les donneurs,
r~~ constante de temps d'dmission, r~~ constante de temps de capture.
La constante de temps de capture est donnde par :
T~~ =
(19)
«~ (E I. V~~ (N~(E n~
et la constante de temps d'dmission est donnde par :
~~~ «~(E) V~~ N~ ~~~ K T ~~~~
oh «~(E est la section efficace de capture des Electrons, Vj~ est la vitesse thermique moyenne
des dlectrons, N~ est la densitd d'dtat effective dans la bande de conduction, N~(E) est la
~<
' <
j * *
*
rQ *
~
Q '
~ ,
~Q~
*
X
~
~
fl
~
o u Q~
~
<
c '
Q r
u '
Q~
~n lo
nergie
Fig. 5. -Variation de la section de capture en fonction de la valeur du niveau d'dnergie des dtats d'interl'ace prise par rapport au niveau d'dnergie de la bande de conduction.
[Variation of electron capture cros~ section in terms of the magnitude of interface states energy relative to the conduction band.]
2308 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°
- ~lo~ ,
d , ',_
"~-_ Eff
= 0
o
~~~--_
b lo
Q
Eff=1.71 7D
4J ~~
)
=
410~~
cm
o dox
=
5.lO'~
cm
u Vg = 10y
fi No
= 10 ' cm"
q~ lo T
= 300 °K
~
c p,, = 50(' cm~/s
o o o i
Tertips ns)
Fig. 4. Variation temporelle de l'inefficacitd de transfert pour diffdrentes valeurs du champ de bard.
lime-dependent transfer inefficiency for various fringing field values.]
. Pour que l'opdration de transfert des charges dans le « CCD » ait lieu~ it est ndcessaire que le ddplacement des charges d'un puits h un autre soit unidirectionnel, cela veut dire que le
courant h n~importe quel instant h gauche du puits (,t = 0 est toujours dgal h zdro (Fig. 2), ce
qui se traduit par
J~(0, t)
= 0 ~ ~~l'~~ =
0. (16)
. Les charges se ddplacent dans le putts au point x
= L h la vitesse de saturation (vitesse thermique) avec une densitd de courant finie II Ii. Ainsi l'analyse du ddplacement des charges
nous permet de dire que la charge en x = L est trks proche de la valeur zdro mars se ddplace
avec une vitesse trks grande de telle fapon que le courant reste fini et la condition au limite en
ce point est donnde par
n(L, t)
=
0. (17)
Les rdsultats d'une solution numdrique de l'Equation (14) sont reprdsentds sur la figure 4. On constate que le premier stade de transfert est domind par l'effet du champ self-induit. La courbe
reprdsentde en pointillds ddcrit le processus en absence du champ de bord, ce qui prouve l'effet de ce champ sur le transfert en lui causant une accdldration durant sa dernikre phase.
4, Influence des dtats d'interface sur l'inellicacitd de transfert.
Pour un « CCD » h transfert de charge en surface, [es dtats de surface et d'interface jouent un
rble important car its introduisent des niveaux d'dnergie permis dans le gap et pikgent des porteurs libres et par consdquent modifient [es populations des bandes.
N° it DISPOSITIFS h TRANSFERT DE CHARGE EN SURFACE « SCCD » 2307
~V~C
4 L~
~th "
~
" l~n (9)
oh D~ est le coefficient de diffusion qui est lid h la mobilitd des Electrons par la relation d'Einstein
D~ = q~ ~ ~ (io)
q
En utilisant (es expressions des inefficacitds de transfert ddveloppdes prdcddemment, nous
avons dtudid l'inefficacitd de transfert de charge pour chaque processus du transfert (champ
self-induit, champ de bard et la diffusion therrnique). Les rdsultats de cette comparaison ant dtd
effectuds h 300 K et sent schdmatisds dans la figure 3. Ces figures montrent bien que le
transfert des charges dir au champ self-induit est trks rapide durant la phase initiate de la
pdriode de transfert. Lors de la dernikre partie de la pdriode, le transfert de charge est ddtermind d'abord par la diffusion thermique et ensuite par le champ de bard.
Par cette Etude on montre que le transfert des porteurs d'une capacitd h la capacitd adjacente
est commandd par trois processus qui joue chacun un rble essentiel ~ des instants diffdrents.
3. Modkle de transfert des charges libres.
Pour l'Etude globale du processus de transfert, nous aliens considdrer deux capacitds MOS trks proches de sorte qu'ii y ait recouvrement des zones de ddpldtion et absence des puits parasites.
La densitd de courant associde au ddplacement des Electrons due h l'action du champ self- induit E~~ du champ de bard E~~ et de la diffusion thermique s'dcrit
J~(x, t)
= q~,q,n(x, t).E,(x, t)+ q~.q.n(x, t).E~~+q.D~~~~~~ ~~ (II)
ax En explicitant E~(x, t) h partir de 1°expression (2) le courant s°dcrit :
En ndgligeant [es phdnombnes de gdndration-recombinaison, l'Equation de continuitf s'dcrit:
oh en explicitant le courant
~nij, t~ = ~/j~~ n(x, t) + nj ~i12 ~~
+
iox~ ~~l ~~ ~ ~~ ~~l~~~ ~~ ~~~~
Pour mieux comprendre [es interactions des diffdrents mdcanismes du transfert, nous aliens
rdsoudre numdriquement l'Equation diffdrentielle non lindaire (14) par la mdthode des
diffdrences finies implicite en utilisant l'algorithme de Gauss et dent (es conditions initiates et (es conditions aux limites sent [es suivantes
n(x, 0)
= no (15)
oh no est le nombre des Electrons introduit initialement dans le puits.
