Запоминающие устройства с зарядовой связью

Запоминающие устройства с зарядовой связью (ЗУ 3С) называют такие запоминающие устройства, основным структурным элементом которых являются приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Они имеют МДП-структуру, а двоичную информацию представляют двумя уровнями зарядовых носителей, сформированных внешним электрическим полем с подвижных неосновных носителей заряда n- або p-типа. Ее передача по каналам связи происходит посредством манипуляции электрического поля. Конечно большой зарядовый пакет соответствует логической единице (1), а малый — логическом нулю (0).

Назначения. Поскольку функционирование ПЗС основанное на нестационарных процессах в МДП-структурах, то построенные ЗУ 3С могут быть использованы для записи информации, ее кратковременного запоминания, передачи по каналам связи и воспроизведения, то есть для построения динамических ЗУ, основу которых составляют сдвиговые регистры.

Классификация. ЗУ 3С, как и другие ПЗС, классифицируют по схемам перемещения зарядовых пакетов. Различают ЗУ с двух — и трехфазными схемами перемещения. Специфическим для них является классификация по способам организации
работы. Выделяют ЗУ 3С с серпантинно-петлявой организацией и синхронным тактированием; организацией, которая обеспечивает произвольную выборку; последовательно-параллельную форму организации; организацию из строчной адресацией.

Строение. Как отмечалось выше, основным структурным элементом ЗУ 3С есть сдвижной регистр. На рис. 1 приведена схема распространенного трехфазного или, по-другому, тритактного сдвигового регистра вместе с элементами ввода и вывода информации, в роли которых используют прямо смещенные р-n-переходы, построенные таким образом, что их диффузный базовый участок частично перекрывается входным электродом.

Схема тритактного оползневого регистра, построенного на ПЗС

Рис. 1. Схема тритактного оползневого регистра, построенного на ПЗС

Конструкцию ЗУ 3С во многом определяют также способы организации их работы. При последовательно-параллельно-последовательной организации блок состоит из М-параллельных регистров, каждый из которых содержит N бит, и последовательных входного и выходного регистров. Последовательно-параллельно-последовательные блоки можно соединять между собой последовательно и получать длинную петлю рециркуляции или параллельно, и таким образом строить ЗУ с большой информационной емкостью (рис. 2, а).

Схемы последовательно-параллельно-последовательного (а) и с строчной адресацией (б) способов организации ЗУ 3С

 Рис. 2. Схемы последовательно-параллельно-последовательного (а) и с строчной адресацией (б) способов организации ЗУ 3С

При организации ЗУ с строчной адресацией линейные регистры (строки), каждый из которых содержит N битов информации, компонуют в матрице из М строк (рис. 2, б).

Работа. Работу тритактного оползневого регистра, построенного на ПЗС, иллюстрируют схемы, приведенные на рис. 3.

Схемы работы тритактного оползневого регистра на ПЗС: а, б, в - первый, второй, третий такты соответственно

Рис. 3. Схемы работы тритактного оползневого регистра на ПЗС: а, б, в — первый, второй, третий такты соответственно

В тритактному регистре сдвига каждый третий элемент соединен с одной из трех шин, в которые поступают от внешнего генератора тактовые импульсы. Подкладка находится под нулевым потенциалом. Все напряжения, которые прикладывают к шинам Безымянный, Безымянный и Безымянный, должны превышать пороговое напряжение, при которой образуются обедненные слои. Пусть в исходном состоянии напряжение хранения — Безымянный приложена к электродам 1, 4, 7, а меньше по абсолютному значению напряжение хранения — —Безымянный ко всем остальным электродам. Предположим, что под электродами 1 и 7 локализован
положительный заряд, а под электродом 4 заряд отсутствует (рис. 3, а). для продвижения информации в следующий момент времени (следующий такт) на шину Безымянный подается напряжение Безымянный, по абсолютному значению больше Безымянный, которая прилажевается к электродам 2, 5, 8 (рис. 3, б). Поскольку под этими электродами образуются глубокие потенциальные ямы, то заряды из-под электродов 1 и 7 и состояние отсутствии зарядов под электродом 4 перейдут на шаг вправо. Во время следующего такта к шине Безымянный прикладывают напряжение хранения , а к Безымянный  шинам Безымянный и Безымянный — напряжение хранения Безымянный. Информация в таком случае сохраняется под электродами 2, 5 и 8 (рис. 3, в). аналогично осуществляется
дальнейшее передвижение информации. Информационный заряд на входе ЗУ 3С можно создать инжекцией неосновных носителей с прямо смещенного p-n-перехода. Кроме этого способа записи информации, возможно еще и накопления заряда неосновных носителей под действием светового импульса. Устройство вывода (считывания) информации превращает информационные заряды в электрические сигналы. Считывания информации можно осуществлять тремя основными способами. Первый из них основывается на инжекции информационного заряда в подложку и регистрации тока подложки. При втором способе для экстракции неосновных носителей из потенциальной ямы и регистрации тока в выходной цепи используют обратно смещен p-n-переход. При третьем способе используют отключеный (плавающий) зажим, потенциал на котором меняется в зависимости от значения заряда. Для компенсации потерь заряда в ЗУ на оползневых регистрах используют специальные схемы регенерации (восстановления) заряда. Они размещаются через каждые 10 … 20 степеней
регистра. Для их создания необходимо проведение нескольких дополнительных диффузий. Площадь, занимают эти схемы, как правило, не превышает 10% от общей площади, занятой ЗУ. Работа регенерирующая схем основана на бестоковом считывании поверхностного потенциала. С этой целью под одним из передающих электродов Безымянный создается диффузный участок (рис. 4), потенциал которой равен поверхностном потенциалу полупроводника.

Топология регенерирующего круга

Рис. 4. Топология регенерирующего круга

Диффузная область соединена с заслоном МДП-структуры, которая является усилительным каскадом с очень высоким входным сопротивлением. Заслон МДП-структуры одновременно играет роль входного электрода второго регистра.
Предположим, что под электрод Безымянный поступает логическая единица (заряд, который заполняет потенциальную яму). Абсолютное значение поверхностного потенциала, а значит, и потенциалов диффузионной области и завеса МДП-структуры будут самые меньшие. Поскольку напряжение на покровом МДП-структуры будет ниже пороговой, то по параллельному регистру начнет передаваться логический ноль (отсутствие заряда). Если во электрод Безымянный поступает логический ноль, то абсолютная величина поверхностного потенциала, а значит, и потенциала завеса достигает максимального значения, которое превышает пороговое напряжение МДП-структуры. Поэтому с утечки заслон инжектируется заряд неосновных носителей. Таким способом устройство регенерации осуществляет восстановление и инверсию двоичной
информации.

Свойства. Ячейка ЗУ ЗС имеет малый размер ≈ 38 × 75 мкм2, в то время как в ЗУ на МДП-транзисторах ячейка имеет размер 150 × 300мкм2. Благодаря этому в ЗУ ЗС может быть достигнут примерно на порядок выше уровень интеграции, чем в ЗУ на МДП-транзисторах. Быстродействие ЗУ 3С составляет около 10 МГц, а средняя потребляемая мощность равна 5 мкВт/бит. Эти ЗУ имеют и другие положительные качества. К ним принадлежат малое время выборки (≈10 .. 12 мкс), простота считывания информации и тому подобное. Приведенные выше характеристики ЗУ 3С могут изменяться в ту или иную сторону в зависимости от способов организации ЗУ. Так, например, ЗУ с серпантинно-петлевой организацией и синхронным тактированием, предусматривающий зигзагоподобные перемещения зарядовых пакетов, имеют широкий диапазон скоростей
передачи информации. Вместе с тем в результате большой емкости фаз потребляемая мощность в них растет, а плотность компоновки падает. ЗУ 3С с произвольной выборкой обеспечивают быстрый доступ к любому блоку информации, возможность мультиплексирования нескольких каналов на один регистр. Вместе с тем, они потребляют большую мощность.
Высокой скорости передачи данных при сравнительно небольшой потребляемой мощности достигают, используя ЗУ с последовательно-параллельно-последовательностной системой организации работы, ее блоки можно соединить последовательно и получать длинную петлю рециркуляции, или параллельно, и реализовать за счет этого большую информационную емкость. Максимальная скорость передачи информации в этих блоках ограничивается тактовой частотой последовательных регистров Безымянный

Безымянный

 где Безымянный — частота тактовых импульсов.
При организации ЗУ с строчной адресацией достигают малого времени выборки (≈1..10 мкс). Свойства ЗУ 3С еще зависят от местонахождения информационных каналов. Структуры с поверхностным каналом в форме регистров сдвига имеют информационные емкости до 105 бит, скорость передачи информации ≈10 бит/с, частоту тактовых импульсов 10 МГц, потребляемую мощность в режиме хранения информации 10 мкВт/бит. В структурах со скрытыми информационными каналами с объемным переносом зарядовых пакетов достигается выше быстродействие. За счет низкой вероятности захвата носителей они имеют меньшие коэффициенты потерь (10-6 ..10-7 на частоте 50 … 80 МГц). Но потому, что информационный канал расположен в глубине полупроводника, к заслонов приходится прикладывать большее напряжение, чем в структурах с поверхностным каналом. Общим недостатком ЗУ 3С является потеря ими информации при выключении
питания.

Применение. Сдвижные регистры на ПЗС можно использовать в любых ЗУ, работающих с последовательной выборкой, на магнитных барабанах и дисках, на ЛС, в буферных ЗУ, в сверхоперативных ЗУ и тому подобное.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*