4.2.3. Запоминающие устройства на пзс-структурах
Запоминающие устройства на принципах зарядовой связи легко 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