|
| |
|
Главная Журналы  Рис. 6.2.10. Элементы конструкции микросборки ЦМД-ЗУ: / - магнитный кристалл; 5 - монтажная плата; 3 -медная пластина; 4, 5 - ортогональные катушкн для создания вращающегося магнитного поля; 6, 7 - постоянныь магниты; 8 - корпус; 9-магнитный экран; /О -прокладка § 6.3. Приборы с зарядовой связью Приборы с зарядовой связью (ПЗС) относятся к классу приборов со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП). Устройства на основе ПЗС могут выполнять различные функциональные преобразования информации как в цифровой, так и в аналоговой форме. К таким устройствам относятся регистры ОЗУ, линии задержки, фильтры, оптоэлектронные преобразователи и др. Применение ПЗС позволяет повысить уровень интеграции и быстродействие, снизить потребляемую мощность и стоимость больших интегральных схем на основе МДП-структур. Физические основы ПЗС. Типовая конструкция ПЗС строится в виде цепочки близко расположенных МОП-конденсаторов на общей полупроводниковой (кремниевой) подложке (рис. 6.3.1).  ®® , Рис. 6.3.1. ПЗС в режиме .хранения (а) н передачи зарядового пакета (б) Рассмотрим физические процессы в элементах ПЗС, предполагая, что подложка выполнена из полупроводникового материала п-типа. При отрицательном потенциале на металлическом электроде конденсаторного элемента ПЗС под электродом у поверхности раздела полупроводника с диэлектриком Si02 создается достаточно глубокая потенциальная яма. Абсолютное значение потенциала электрода в любом режиме элемента превышает пороговое напряжение f/nop, при котором в стационарном состоянии формируется инверсионный слой у границы раздела полупроводник - диэлектрик. После подачи напряжения на электрод (рис. 6.3.2) время ус- таиовления стационарного режима определяется скоростью процесса накопления неосновных носителей (в рассматриваемом примере дырок), которые возникают вследствие тепловой генерации электронно-дырочных пар в объеме обедненной области и граничащей с ней нейтральной области полупроводника. Электронно-  Рис. 6.3.2. Зонные диаграммы элемента ПЗС в режиме хранения информации в момент включения (а) и в стационарном состоянии (б): / - металл; 2 - диэлектрик; 3 - обедненная область; 4 - нейтральная область полупроводника дырочные пары разделяются электрическим полем объемного заряда обедненной области полупроводника. Рассматриваемый временной интервал зависит-от качества обработки поверхности и совершенства структуры подложки и составляет величину порядка долей и единиц секунд. (В МДП-транзисторах время установления инверсионного слоя составляет доли наносекунд, так как дырки инжектируются нз истоковой р+-области.) Нормальный режим работы элементов ПЗС нестационарный, поэтому ПЗС относятся к устройствам динамического типа. Информация в ПЗС представляется в виде зарядовых пакетов неосновных носителей, которые могут кратковременно храниться в по-. тенциальных ямах и передвигаться по информационному каналу вдоль границы раздела полупроводник - диэлектрик при подаче на электроды ПЗС определенной последовательности тактирующих импульсов. Длительность хранения информационного заряда определяется допустимыми Искажениями передаваемой информации, которые зав1псят от соотношения между величиной информационного и фонового заряда, обусловленного тепловой генерацией. Обычно время хранения составляет единицы и десятки миллисекунд. Это время определяет минимальную скорость передачи информации (нижнюю рабочую частоту ПЗС). В режиме хранения на электрод элемента ПЗС подается потенциал хранения L.,cp=it/2 (рис. 6.3.1,а), абсолютное значение которого больше потенциала \J\, создаваемого источником постоянного смещения ( t/i j > Lnopj) Для перемещения зарядового пакета на один шаг под соседним электродом справа (рис. 6.3.1,6) создается более глубокая потенциальная яма с помощью потенциала записи С/з-Van при этом I f/al > I бг].На рис. 6.3.1,6 условно показано «переливание» информационного заряда в более глубокую потенциальную яму. Односторонняя передача заряда обеспечивается тем, что на соседнем электроде слева от элемента хранения во время переноса заряда поддерживается потенциал It/iI < 1 t/2l. Перенос зарядового пакета обусловлен в основном тянущим электрическим полем между соседними потенциальными ямами и диффузией дырок внутри области хранения (рис. 6.3.1,6). Максимальная скорость переноса ограничивается никакой ско- ростью диффузионного процесса. Для повышения быстродействия ПЗС необходимо уменьшать ширину электродов Lg и расстояние между электродами /мэ- Размеры этих элементов ограничиваются возможностями технологии. Три рядом расположенных конденсаторных элемента составляют ячейку ПЗС. При передаче информации на ячейки ПЗС по трехфазной системе питания подаются в определенной последовательности тактирующие импульсы хранения и записи информации (рис. 6.3.3). При максимальной скорости передачи информации временной интервал хранения информации в предыдущем элементе равен интервалу времени записи информации в последующий элемент, т. е. процесс хранения информации в предыдущем элементе совмещается с процессом записи в последующем. На рис. 6,3.3 штриховой линией показана форма обычно применяемых тактирующих импульсов, так как для формирования импульсов ступенчатой формы требуются сложные генераторы. Для современных конструкций трех- "ГТ тактных ПЗС значения предельных тактовых частот составляют: i/minJO,! ... 1 кГц; /maxл;2... 10 МГц. Рис. 6.3.3. Форма тактовых импульсов в трехтактном ПЗС Элементы ввода и вывода информации. На входе ПЗС электрический или оптический сигнал преобразуется в зарядовые пакеты неосновных носителей, поступающих в информационный канал. Электрический сигнал подается на инжектирующий р+-«-переход или на входной управляющий электрод (рнс. 6.3.4). Управляющий электрод выполняет роль затвора МДП-транзистора. Ес- - --vffli? ДК---- ® ® ® ® ф ф I НнВвроаанныа спаи ~ "---Область ostemhoso заряда Рис. 6.3.4. Электрический (a, б) и оптический (в) ввод информации в информационный канал ПЗС ли входной импульсный сигнал 17вх=-ЬСин подается на р--об-ласть инжектора, то на управляющем электроде устанавливается постоянное напряжение смещения у > Lnopl+ ин, которое необходимо для образования инверсионного канала в подзатвор-ной области подложки. По этому каналу инжектированные переходом носители передаются в информационный канал. Если же на р+-область подается постоянное смещение или аналоговый сигнал, то на управляющий электрод подается импульсное напряжение, формирующее зарядовые пакеты. Величина заряда в пакете пропорциональна амплитуде аналогового сигнала. В простейшем случае напряжение смещения на инжекторе равно нулю (6,ш==0, рис. 6.3.4,6). Так же как в обычном МДП-транзисторе, р+-об-ласть является источником носителей для инверсионного канала, который образуется при Свх! = у > Lnopl • Изменением амплитуды управляющих импульсов осуществляется модуляция величины зарядовых пакетов. При оптическом вводе информации под действием света в приповерхностной области полупроводниковой подложки генерируются электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим нолем, создаваемым потенциалом управляющего электрода (рис. 4.8.4,0). Неосновные носители (в рассматриваемом примере дырки) собираются в потенциальной яме управляющего электрода. Из этой потенциальной ямы неосновные носители передаются в информационный канал при подаче на Ф\ тактирующего импульса записи. Для увеличения эффективности преобразования оптического сигнала управляющие электроды выполняются из оптически прозрачного проводящего материала, например легированного поликремния. На выходе ПЗС величина информационного заряда преобразуется в приращения потенциала или тока. Структура выходного устройства, в котором осуществляется экстракция неосновных носителей обратносмещенным р-я-переходом, показана на рис. 6.3.5,а. Обратносмещенный р-п-переход подобен коллектору би- Рис. 6.3.5. Вывод информации из ПЗС с помощью экстрагирующего р-«-перехода при пассивной (а) и активной (б) нагрузке Фг- Фз Су ±1 «>г <*з Су is,„ полярного транзистора. Носители тока экстрагируются из потенциальной ямы выходного управляющего электрода, с помощью которого при подаче управляющего импульса устанавливается связь информационного канала с выходным устройством. Ток протекающий через нагрузку создает выходное напряжение бвых-На рис. 6.3.5,6 показана структура, в которой роль нагрузки вы- полняет МДП-транзистор. Истоковая р+-область МДП-транзистора одновременно выполняет роль коллектора или экстрагирующего р-п-перехода. Применение ПЗС. Приборы с зарядовой связью применяются в динамических сдвигающих регистрах для запоминающих устройств с последовательной выборкой, фильтрах, линиях задержки и формирователях изображений в передающих камерах. Сдвиговый регистр (CP) является базовым элементом для построения всех устройств на основе ПЗС. В структуре регистра с последовательным входом и последовательным выходом (рис. 6.3.6) ввод и вывод информации осуществляется с помощью р-п-переходдв. <* <*2Г fsr <*г2 9*32 "I tvjvy fil (ii fij pi Рис. 6.3.6. Структура i премниввая подложно регистра на основе п-типа  § 6.4. Акустоэлектронные устройства Акустоэлектронные устройства в основном применяют с целью комплексной миниатюризации РЭА и ЭВА. В этих устройствах, выполняемых методами пленочной и полупроводниковой планарной технологии, для передачи, преобразования и хранения информации используют поверхностные акустические волны (ПАВ), распространяющиеся вблизи свободной поверхности твердого тела. К основным элементам акустоэлектронных устройств относятся подложка-звукопровод и электромеханические преобразователи. Подложку-звукопровод выполняют из однородного кристаллического материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами,, или из двухслойных материалов, состоящих из пассивной подложки, на поверхность которой нанесен активный пленочный пьезо-электрик. Электромеханические преобразователи формируют на поверхности звукопровода методами тонкопленочной технологии. Во входном преобразователе-возбудителе используется обратный пье-зоэффект - переменный электрический сигнал преобразуется в поверхностные упругие волны. В выходном преобразователе-прием--нике осуществляется обратное преобразование упругих колебаний в электрические за счет прямого пьезоэффекта. Наиболее широко используются многоэлементные фазовые решетки (рис. 6.4.1). С увеличением количества пар полосок увеличивается эффективность преобразования (уменьшаются потери на преобразование), так как при этом используется аинфазное сложение упругих колебаний, возбужденных каждой парой полосок. Для обеспечения синхронизма (синфазного сложения) расстояние между соседними полосками Ъ выбирается равным половине длины ПАВ: Ь = =Япов/2. Из этого условия видно, что максимальная рабочая частота ограничивается возможностями технологии. Необходимо отметить, что с увеличением количества пар полосок jV сужается акустическая полоса пропускания и соответственно увеличршаются искажения выходных сигналов.  В) ff) Рис. 6.4.1. Конструкция решетчатого электромеханического преобразователя (а) и распределения электрического поля в подложке (б) ( - металлические элементы (полоски); 5 - активная подложка Наиболее широко ПАВ используют для создания ультразвуковых линий задержки (УЛЗ) (рис. 6.4,2). Время задержки определяется расстоянием между входным и выходным преобразователями и скоростью распространения ПАВ. Для устранения ложных сигналов, обусловленных отражениями ПАВ от границ подложки.  Рис. 6.4.2. Конструкция ультразвуковой линии задержки: / -активная подложка; 2 - излучатель; 3-5 - приемники излучения; 6 - поглощающие нагрузки применяют поглотители ультразвуковых колебаний, расположенные с тыльных сторон преобразователей или по всему периметру подложки. В качестве поглотителя можно использовать шероховатую поверхность подложки. Многоотводные УЛЗ используют для обработки сложных радиосигналов. Рассматриваемые УЛЗ могут использоваться в диапазоне СВЧ (при Ьг=а~0,5 мкм /раб~1 ГГц). Объем УЛЗ на ПАВ уменьшается примерно в 10» раз, а масса в 500 раз по сравнению с полноводными и коаксиальными ЛЗ СВЧ диапазона. УЛЗ цифровых сигналов на ПАВ используются для построения буферных динамических ЗУ с емкостью до 5-105 бит на кристалл и скоростью передачи до 350 Мбит/с. Организация таких ЗУ по- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 [ 45 ] 46 47 |