Запоминающие устройства на ПЗС-структурах

Запоминающие устройства на принципах зарядовой связилегко реализуются с помощью ячеек аналоговой памяти. По существу эти ячейки являются конденсаторными МОП-структурами, в которых хранится зарядовый пакет или отсутствует вовсе. В первом случае говорят о хранении логической единицы, в другом - логического нуля. Объединенные в линейки такие ячейки образуют регистры сдвига.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) состоит из накопителя с однократной записанной информацией и системы вывода информации на регистрах с зарядовой связью. Один из вариантов ПЗУ на ПЗС для хранения аналоговых сигналов содержит регистр сдвига, связанный с МОП-конденсаторами, размеры которых соответствуют записанной информации. На рис. 4.19, а изображен отдельный элемент такого устройства, где трехтактный регистр P1 - Р3 непостоянно связан с конденсаторами постоянной памяти К1 – К3. В режиме считывания на выбранный конденсатор подается напряжение и под его электродом накапливается заряд, пропорциональный площади последнего. Затем напряжение подается на выбранный электрод, и заряд передается в регистр. Это выполняется одновременно во всех элементах, так что регистр принимает параллельный код, который затем поступает к выходному усилителю.

Элементы хранения отделены от регистра, подобно фоточувствительным элементам в фотоприемниках со строчной разверткой. Однако они могут быть совмещены с электродами переноса, как показано на рис. 4.19, б. При этом информация представлена величиной заряда, встроенного в электродный диэлектрик. Наличие такого заряда приводит к модуляции поверхностного потенциала вдоль канала ПЗС, что позволяет считывать записанный заряд.

Рис. 4.19. ПЗУ на ПЗС: а – элемент памяти вне регистра;

б – элементы памяти, совмещенные с электродами переноса

Операция считывания протекает в две стадии: вначале производится передача информации из постоянного накопителя в регистры ПЗС, затем - перенос зарядовых пакетов к выходу устройства. Первая стадия зависит от способа представления информации в накопителе, который при соответствующих управляющих сигналах определяет процесс генерации зарядовых пакетов, степень заполнения ими потенциальных ям или распределение зарядов между соседними элементами.

Информация записывается в диэлектрике, что обуславливает различное пороговое напряжение на электродах и одновременно различную управляющую способность. При подаче напряжения на электроды выбранной фазы под ними образуются потенциальные ямы различной глубины. Заполнение их зарядом, за счет естественной термогенерации, создает зарядовый рельеф, отображающий ранее записанную информацию. Для ускорения заполнения ям «опрашивающие» заряды подводят с помощью самого ПЗС. Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ) на ПЗС позволяет перезаписывать информацию в процессе работы в соответствии с введенным в него массивом зарядовых пакетов. Из некоторых способов хранения информации перепрограммирование допускает лишь заряд, встроенный в диэлектрик, но сам диэлектрик должен быть усложнен: диэлектрик с захватом заряда и диэлектрик со встроенным плавающим затвором.

Запоминающее устройство с произвольной выборкой по считыванию (ЗУПВ) на ПЗС позволяет считывать информацию из произвольной ячейки матрицы. В их основе лежит матрица ПЗС с дополнительной системой электродов, обеспечивающих произвольную выборку. Как известно, произвольная выборка возможна и в приборах с инжекцией заряда, но зарядовое считывание в матрицах большого объема дает очень слабые выходные сигналы, налагает чрезмерно жесткие требования на ее элементы, в особенности на усилители считывания. Более перспективным представляется использование токового считывания. В этом случае заряд, хранимый элементом, модулирует протекающий в нем ток. Допустимы различные способы токового считывания при ориентации канала транзистора в различных направлениях по отношению к каналу ПЗС (рис. 4.20): в горизонтальном (а, б) и в вертикальном(в, г).

Рис. 4.20. Комбинация элемента ПЗС с транзистором:

горизонтальный канал ® транзистора поперек (а)

и вдоль канала ПЗС (б); вертикальный канал ­ транзистора

со стоком в отверстии электрода ПЗС (в)

и в виде изолирующей диффузионной области (г)

Области стока и истока канального транзистора могут быть включены в конструкцию дополнительно, но можно использовать и структуры, входящие в ПЗС-подложку, например, области изолирующей стоп-диффузии. При горизонтальном канале на подложке необходимо наличие слоя противоположного типа проводимости.

Для вертикального канала размеры стока должны быть меньше глубины области пространственного заряда.

Итак, ЗУ строятся на основе регистров сдвига, позволяющих реализовать в ячейках два устойчивых состояния «1» или «0» и перемещать информацию по регистру. По методу поиска адреса ячейки памяти ЗУ делятся на устройства с произвольным и последователь­ным доступом информации. ЗУ с произвольным доступом позволяют использовать в любой момент времени любую ячейку и имеют число выходов блока выборки, равное числу адресов блока запоминании. ЗУ на основе регистров сдвига на ПЗС относятся к устройствам с последовательным доступом к информации.

Для увеличения времени хранения информации зарядовые пакеты непрерывно циркулируют по ПЗС-структуре путем передачи их с выхода на вход через устройство регенерации, позволяющее компенсировать утечку и рассасывание зарядов.

Конструктивно ЗУ организовываются по различным схемам (рис. 4.21). Регистры сдвига могут быть объединены в виде серпантинно-петлевой структуры (рис. 4.21, а) с элементами регенерации R. Перспективными также являются структуры ЗУ с произвольной выборкой (рис. 4.21, б) и со строчной адресацией (рис. 4.21, в). Структуры с последовательно - параллельно - последовательной адресацией (ППП) образуют регистр, состоящий из матрицы параллельно включенных регистров сдвига с последовательным переносом двух регистров - входного и выходного. Информация последовательно заносится в верхний регистр, затем переносится параллельно в матрицу и в ней построчно сдвигается. Достигнув выходного регистра, информация заносится в него, а затем последовательно сдвигается к выходному устройству. Структура типа ППП должна содержать элементы регенерации R, восстанавливающие уровень зарядовых пакетов.

ЗУ на ПЗС большой емкости строятся по блочной структуре или с блочной выборкой.

Основной областью применения ЗУ на ПЗС является буферная память. Так замена буферной памяти на магнитных дисках в ЭВМ позволит резко сократить габариты, потребляемую мощность, другие технические характеристики.

Плотность записи информации в ЗУ ка ПЗС может достигать 10⁵ бит/см² при скорости записи и считывания 5 Мбит/с. К недостаткам ЗУ на ПЗС следует отнести ограниченное время хранения информации в ЗУ, а также энергозависимость схем.

Рис. 4.21. Структурные схемы ЗУ на ПЗС:

а - серпантинно-петлеобразная;

б - с произвольной выборкой блоков,

в - со строчной адресацией;

г - последовательно - параллельно - последовательная

БИСПИН-приборы

БИСПИН-приборы представляют собой полупроводниковые структуры с БИСмещенным Переходом и Инжекционной Неустойчивостью. Эти приборы преобразуют входной аналоговый сигнал в регулярную последовательность импульсов тока или напряжения.

В качестве континуальной среды используется полупроводниковая структура с распределенным р⁺-п- или п⁺-р-переходом (рис. 4.22, а).

Рис. 4.22. БИСПИН-структура (а), форма генерируемых импульсов (б) и условное обозначение (в)

На поверхности слаболегированной п- или р-области формируют нелинейный А и омический В контакты. В качестве нелинейного контакта может выступать встроенный локальный п⁺-р-п- или р⁺-п-р-транзистор.

На поверхности сильно легированной р⁺- или п⁺-подложки формируется омический контакт С. Если к контактам А и В приложить определенную разность потенциалов таким образом, чтобы п⁺-область была включена в прямом направлении, а затем структуру осветить со стороны слаболегированной области, то во внешней цепи появляются импульсы тока определенной частоты следования. При большой скважности импульсы тока имеют релаксационную форму (рис. 4.22, б). В промежутках между импульсами тока на контакте С имеют место пилообразные импульсы напряжения. Аналогичная генерация проявляется и без подсветки, но при пропускании тока через распределенный р⁺-п-переход. Увеличение интенсивности подсветки или уровня тока в подложку приводит к пропорциональ­ному росту частоты следования импульсов без изменения их амплитуды, величина которой определяется разностью потенциалов U_АВ на структуре.

Таким образом, БИСПИН может рассматриваться как релаксационный генератор, имеющий три независимых канала управления; потенциальный, токовый и гальванически развязанный - световой. Каждый из каналов характеризуется порогом генерации, величина которого зависит от состояния двух других каналов, и с их помощью легко изменяется в большую или меньшую сторону.

В зависимости от напряжения питания, уровня освещенности или тока в подложку БИСПИН может находиться в трех состояниях:

- закрытое, с низкой проводимостью, когда внутреннее сопротивление структуры между контактами А и В определяется сопротивлением обратносмещенного коллекторного перехода локального транзистора и составляет около 10⁸ Ом;

- открытое, с высокой проводимостью, когда сопротивление структуры не превышает единиц килоом. В это состояние структура переходит при больших уровнях токов в подложке или подсветке;

- автоколебательное.

Из сказанного выше следует, что БИСПИН может работать как ключ, если время нарастания подаваемого на его вход сигнала не превышает периода следования импульсов при максимальной частоте повторения.

Физический механизм работы БИСПИНа в автоколебательном режиме состоит в следующем. После включения источника напряжения благодаря тому, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода локального транзистора существенно превышает сопротивление R_n п-слоя, коллекторный потенциал j_к и потенциал под омическим контактом j_В совпадают с точностью до 10^-3 В, т. е. j_к @ j_В. Такого же уровня достигает потенциал подложки j. Следовательно, распределенный р⁺-п-переход находится под нулевым смещением. При включении света за счет внутреннего фотоэффекта происходит зарядка распределенного р⁺-п -перехода и возникает инжекция дырок из подложки в п-слой. При этом часть дырок попадает в коллекторную область встроенной локальной п-р-п-структуры. Для дырок в п-слое коллекторный переход является экстрактором, благодаря чему они поступают в р-базу локального транзистора и скапливаются в ней. Последнее обстоятельство приводит к понижению потенциального барьера эмиттерного n⁺-р-перехода и инжекции электронов из п-эмитгера в узкую р-базу, после пролета которой они оказываются в n-слое структуры. Возникает электронный ток I_n, протекающий по п-слою вдоль распределенного р⁺-п-перехода к омическому контакту. Следует иметь в виду, что этот электронный ток во много раз больше тока дырок, поступающих в р-базу локального транзистора.

Падение напряжения I_nR_n на распределенном сопротивлении n-слоя (R_n = 3 - 5 кОм) приводит к снижению потенциала j_к вблизи коллекторного перехода

j_к = U_АВ - I_nR_n.(4.22)

Поскольку потенциал подложки j вследствие ее высокого уровня легирования можно считать независимым от координаты, то смещение на распределенном р⁺-п-переходе вдоль него изменяется. Прямое смещение этого перехода под коллектором локального транзистора увеличивается, а в остальной, большей его части, сначала уменьшается, а затем становится отрицательным. Инжекция дырок из р⁺-области в р-базу транзистора при этом растет, что в свою очередь вызывает еще больший перекос в смещении р⁺-п-перехода и т. д. Процесс развивается лавинообразно и приводит транзистор в режим насыщения.

Вольтамперная характеристика структуры имеет S-образный вид, и в этом случае следует ожидать токовую неустойчивость.

При небольших уровнях фототока основной поток дырок в р-область локального транзистора поступает из p⁺-подложки за счет двух процессов: перераспределения фототока и перезарядов барьерной емкости р⁺-n-перехода. В начале процесса дырки, образующиеся вследствие внутреннего фотоэффекта, захватываются полем объемного заряда р-п-перехода и перебрасываются в р-подложку, благодаря чему он весь равномерно переходит в состояние прямого смешения (до 0,3 В). Вследствие этого дырки также равномерно инжектируются в n-слой по всей площади распределенного перехода, и в базу транзисторной структуры поступает лишь небольшая их часть, определяемая величиной площади этого перехода, расположенной под коллектором локальной структуры. Вследствие развивающейся описанной выше петли положительной обратной связи (включающей ток вдоль п-слоя, падение потенциала j_к и рост прямого смещения на р⁺-п-переходе) распределенный переход оказывается бисмещенным, происходит перераспределение инжекционного тока дырок, в результате чего все фотодырки, собранные основной обратносмещенной частью p⁺-n-перехода, поступают через прямосмещенную часть в базу локальной транзисторной структуры. К этому току добавляется ток перезарядки емкости р⁺-n-перехода через открытую вертикальную n⁺-р-п-р⁺-структуру. Оценки показывают, что начальный всплеск тока в импульсе носит емкостный характер, и его амплитуда линейно зависит от разности потенциалов на структуре.

После прекращения перезарядки р⁺-n-перехода количество дырок, поступающих в базу локальной транзисторной структуры, резко сокращается и остается только поток «фотодырок». Концентрация их в базе из-за рекомбинации резко сокращается и все большая часть коллекторного перехода выходит из насыщения, сопротивление растекания коллектора увеличивается, коллекторный ток снижается и площадь прямосмещенной части p⁺- n-перехода уменьшается.

Если фототок настолько велик, что ток вдоль р⁺-n-перехода обеспечивает сохранение на нем прямосмещенного участка, то структура остается открытой. В противном случае она переходит в закрытое состояние, и весь процесс повторяется (автоколебательный режим). Таким образом, в процессе развития импульса р⁺-n-переход проходит четыре состояния: с нулевым смещением, прямосмещенное, обратносмещенное и бисмещенное. Последнее обстоятельство послужило основанием для названия структуры и прибора.

Возможности практического применения БИСПИНов определяются их многофункциональностью, высокой чувствительностью по входу; большой амплитудой выходного сигнала; малыми темповыми токами; широким диапазоном перестройки; большой крутизной преобразования «аналоговый сигнал - частота следования импульсов»; наличием на выходе сигналов двух типов - релаксационного токового и пилообразного (напряжения); широким диапазоном напряжений питания; большим интервалом сопротивления нагрузки.

Особого внимания заслуживает вопрос о применении БИСПИНов в устройствах контроля. Здесь возможны два направления:

- использование БИСПИНа как датчика, например, светового потока, температуры, тока, напряжения и т. д.

- использование БИСПИНа в качестве преобразователя «аналоговый сигнал - частота» для любых стандартных и выпускаемых промышленностью датчиков.

На основе БИСПИН-приборов созданы различные типы датчиков с частотным выходом: оптоэлектронные преобразователи, преобразователь типа «аналоговый сигнал -количество импульсов», измеритель световых, магнитных потоков. Значительный интерес представляют датчики различных физических параметров, реализованные на БИСПИН-приборах. В этом случае резко повышается точность измерений, появляется возможность передачи данных по радиоканалу. На основе БИСПИН-приборов разработаны датчики для дистанционного контроля в системах экологического мониторинга.

Частотный выход датчиков на основе БИСПИН-приборов позволил создать на их основе комплект интеллектуальных датчиков для экологического мониторинга. Частотный выход БИСПИН-структур позволяет на их основе реализовать передачу телеинформации по радиоканалу. На этом принципе реализованы датчик магнитного поля, измеритель мощности световых потоков, датчик температуры с использованием термистора и др.

Следует заметить, что вся эта схема может быть реализована в виде одной интегральной схемы. Одновременно можно разместить несколько датчиков для контроля нескольких физических величин. Реально встроить схемы автоматического переключения каналов, адаптации к изменению эксплуатационных условий, схем промежуточной обработки информации. Такие конструкции получили название интеллектуальные датчики (сенсоры).

Поиск по сайту: