Запоминающие элементы на мдп-структурах

ЗУ на МДП-транзисторах. На рис. 13.31 показана схема ЗЭ на интегральном триггере, образованном МДП-транзисторами с каналом р -типа. Активными элементами

Рис. 13.31. Схема интегрального запоминающего элемента на МДП-транзисторах

триггера являются транзисторы VT1 и VT2,динамиче­скими нагрузками которых служат транзисторы VT3 и VT4. Управление триггером при записи и считывании информации осуществляется через транзисторы VT5 и VT6.

В режиме хранения информации потенциалы разряд­ных шин Р ⁰ и Р¹ равны нулю, а потенциал шины А равен напряжению питания + U _п. Вследствие этого напряжения U _ЗИтранзисторов VT5 и VT6 имеют положительный знак и оба транзистора VT5 и VT6 закрыты. Триггер находится в одном из устойчивых состояний. Предположим, что триггер находится в состоянии хранения единицы, при котором транзистор VT1 закрыт, a VT2 — открыт. При этом потенциал стока закрытого транзистора VT1 близок к 0, а открытого VT2 — к + U _п.

Для считывания записанной информации потенциал адресной шины А уменьшают до нуля. В результате от­крывается транзистор VT6,так как напряжение U _ЗИ этого транзистора становится отрицательным и по абсолютному значению больше порогового. Вследствие этого в раз­рядной шине Р ¹появляется высокий потенциал, близкий к потенциалу стока транзистора VT2. Транзистор VT5 при этом остается закрытым, так как для него U _ЗИ≈0, и в разрядной шине Р ⁰сохраняется нулевой потенциал.

При записи информации в триггер потенциал шины А также уменьшается до 0, а изменения потенциалов раз­рядных шин Р ⁰и Р ¹ зависят от записываемой информации. Например, если в триггер необходимо записать 0, то потенциал разрядной шины Р ¹ сохраняется нулевым, а потенциал разрядной шины Р ⁰ увеличивается до + U _п. В результате открывается транзистор VT1 и происходит увеличение потенциала стока этого транзистора, которое передается на затвор транзистора VT2, вследствие чего транзистор VT2 закрывается. При записи 1 потенциал раз­рядной шины Р ⁰сохраняется нулевым, а потенциал ши­ны Р ¹ увеличивается до + U _п. Транзистор VT6 откры­вается, что влечет за собой отпирание транзистора VT2 и запирание VT1.

Рассмотренный ЗЭ на МДП-транзисторах относится к классу статических запоминающих устройств. Сущест­вуют также ЗЭ динамических ЗУ, в которых информация запоминается на емкости затвора МДП-транзистора. По­скольку из-за имеющихся утечек заряд емкости посте­пенно уменьшается, необходимо периодически его вос­станавливать.

ЗУ на МДП-структурах имеют большее время обра­щения, чем ЗУ на биполярных структрурах, однако они характеризуются меньшей потребляемой мощностью (ста­тические ЗУ) и большей плотностью размещения инфор­мации.

Примерами ЗУ на МДП-структурах являются ИМС типа К501РЕ1П (ПЗУ на 2048 бит), КР505РЕ3 (ПЗУ ем­костью 4096 бит), К505РУ4 (ОЗУ емкостью 256 бит) и др.

ЗУ на КМДП-транзисторах. Уменьшить время обраще­ния к ЗУ и потребляемую им мощность можно, если вме­сто МДП-транзисторов использовать интегральные стру­ктуры с комплементарными МДП-транзисторами. Схема ЗЭ на КМДП-транзисторах приведена на рис. 13.32. Триггер выполнен на МДП-транзисторах VT1 и VT2 с каналами п -типа. Нагрузками транзисторов VT1 и VT2 являются МДП-транзисторы VT3 и VT4 с каналами р-ти-па. Управление триггером при записи и считывании ин­формации осуществляется с помощью ключей на транзи­сторах VT5, VT6 и VT7, VT8, которые отпираются только в том случае, когда на адресные шины X_i и У_i, поступают одновременно единичные сигналы.

В режиме хранения информации X_i = У_i = 0 ключи

Рис. 13.52. Схема интегрального запоминающего элемента на КМДП -транзисторах

VT5, VT6 и VT7, VT8 закрыты, и триггер находится в одном из устойчивых состояний.

Для записи в триггер 1 на адресных шинах X_i и У_i уста­навливают высокий уровень напряжения X_i = У_i ≈ + U _п,в разрядную шину Р ¹подают уровень 1, а в разрядную шину Р ⁰— уровень 0. При этом триггер устанавливается в состояние, при котором транзистор VT1 закрыт, a VT2 — открыт.

При записи 0 в шину Р ¹подают уровень 0, а в шину Р ⁰— уровень 1. В результате открытым оказывается тран­зистор VT1, а закрытым — транзистор VT2.

Считывание информации осуществляется по разряд­ным шинам Р ¹и Р ⁰при X_i = У_i ≈ U _п. При этом шина Сч подключается к нулевому уровню или к «земле».

Интегральные ЗУ на КМДП-структурах имеются в ИМС серии К176 (К176РУ2 —ОЗУ на 256 бит с управле­нием, К176РМ1 —матрица-накопитель ОЗУ на 16 бит), в серии КР188 и др.

Недостатком ЗУ на биполярных и МДП-структурах является потеря информации при отключении источника питания. Этого недостатка лишены ЗУ, выполненные на интегральных МНОП-транзисторах.

ЗУ на МНОП-транзисторах. МНОП-транзистор отли­чается от МОП- (или МДП-) транзистора тем, что у него между пленкой диоксида кремния SiO₂ и металлическим затвором помещается слой нитрида кремния Si₃N₄. Заряд, накопленный на границе раздела Si₃N₄ — SiO₂, может сохраняться при отключенном питании в течение несколь­ких тысяч часов.

Для записи единицы в запоминающем элементе на основе МНОП-транзистора на затвор подается отрица­тельное напряжение —28 В, называемое критическим. При этом на границе слоев Si₃N₄ и SiO₂ возникает заряд, а МНОП-транзистор устанавливается в состояние с вы­соким пороговым напряжением U _пор.в=15 В (рис. 13.33). Для записи нуля на затвор подают положительное кри­тическое напряжение U _З = 28 В, и МНОП-транзистор принимает состояние с низким пороговым напря­жением U _пор.н = 3 В. Таким образом, состояния 1 и 0

Рис. 13.33. Передаточные характеристики МНОП-транзистора

отличаются межпороговой зоной ∆ U _пор = U _пор.в= U _пор.н = 12 В.

Для считывания записанной информации на затвор МНОП-транзистора необходимо подать напряжение U_СЧ, удовлетворяющее условию U _пор.н< U_СЧ < U _пор.в. При этом ток стока будет протекать через транзистор в том случае, если он находился в состоянии, характеризующемся вы­соким пороговым напряжением U _пор.в. Если же МНОП-транзистор находился в состоянии с низким значением U _пор.н, ток стока через транзистор протекать не будет. Для выделения записанной в МНОП-транзисторе инфор­мации в цепь стока включают резистор с малым сопро­тивлением.

Способность МНОП-транзисторов сохранять инфор­мацию при отключенном источнике питания позволяет использовать их для построения постоянных запоминаю­щих устройств. Примером ПЗУ на МНОП-транзисторах являются интегральные матрицы-накопители на 128 и 256 бит, входящие в состав серии К519, и матрицы — нако­пители на 1024 и 2048 бит, входящие в состав серии КР558.

13.12. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРИБОРАХ.

Рассмотренные выше ЗЭ являются элементами ин­тегральной микроэлектроники, схемотехнический путь раз­вития которой связан с изготовлением на одном кристалле полупроводника большого количества электронных при­боров, соединений между ними и изолирующих слоев. Микроскопические области полупроводника, в которых созданы те или иные полупроводниковые приборы, представляют собой статические неоднородности, свойства которых не должны изменяться за все время хранения и эксплуатации ИМС. Размеры статических неоднородностей уменьшаются с возрастанием уровня интеграции, но это уменьшение допустимо лишь до некоторого предела, который, как полагают специалисты, будет достигнут уже к 2000 г. В связи с этим в последние годы ведутся работы по исследованию новых физических принципов и эффектов с целью создания принципиально новых электронных уст­ройств. Это направление получило название функциональ­ной электроники. Работа приборов функциональной эле­ктроники основана на использовании для обработки и хранения информации динамических неоднородностей в однородном объеме твердого тела — гановских электри­ческих доменов, цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), пакетов зарядов в приборах с зарядовой связью (ПЗС), поверхностных и объемных акустических волн и др. Длительность существования динамических неодно­родностей может быть кратковременной (в ПЗС) или долговременной (в приборах на ЦМД). Такие неоднород­ности создаются физическими методами и исчезают при снятии внешнего возбуждающего фактора. Динамические неоднородности обладают способностью управляемого переноса по объему тела и могут осуществлять перенос сигнала как в аналоговой, так и в дискретной форме.

В настоящее время обнадеживающие результаты применения физических явлений для создания функцио­нальных устройств получены в нескольких направлениях исследований — акустоэлектронике, магнитоэлектронике, квантовой микроэлектронике и др.

Запоминающие устройства на приборах с зарядовой связью. В ПЗС в качестве динамических неоднородно­стей используются пакеты зарядов неосновных носителей, создаваемых у поверхности полупроводника под действием внешнего электрического поля.

Структура ПЗС (рис. 13.34) представляет собой це­почку МДП-конденсаторов. Если на один из электродов 1, 2 или 3 подать положительное напряжение, то основные носители — дырки — уйдут в глу­бину подложки и под этим электро­дом образуется обедненная основными носителями область, которая получила название потенциальной ямы. В эту потенциальную яму соберутся неосновные носители — электроны, которые создадут в ней некоторый заряд (зарядовый пакет).

Рис. 13.34. Структура ПЗС

Если теперь подать напряжение на второй электрод U ₂> U ₁,то под этим электродом обра­зуется более глубокая потенциальная яма, в которую перейдет заряд неосновных носителей из первой потен­циальной ямы. Расстояния между электродами должны быть очень малыми, чтобы зарядовые пакеты, перетекали из одной потенциальной ямы в другую без потерь на диф­фузию.

На рис. 13.35 приведена структура трехтактного сдви­гового регистра на ПЗС. Он представляет собой МДП-транзистор с большим количеством затворов, в котором можно выделить три секции.

Рис. 13.35. Структура сдвигового регистра на ПЗС

Первая секция — входная — включает в себя исток и входной затвор. Все остальные затворы, подключенные к шинам U ₁, U ₂и U ₃, образуют вторую секцию, называемую секцией переноса. Третья секция — выходная — состоит из выходного затвора и стока.

Если на входной затвор подать напряжение U _вх> U _пopи достаточно большое напряжение на первый затвор сек­ции переноса, то под входным затвором образуется канал п -типа, а под первым затвором секции переноса возникает потенциальная яма. В эту яму из истока по каналу пе­рейдет часть электронов, которые создадут в ней пакет носителей заряда.

В следующем такте снимается напряжение с входного затвора. Проводящий канал между истоком и первой по­тенциальной ямой исчезает, а оставшийся заряд в потен­циальной яме сохраняется. Это равносильно записи в дан­ную ячейку логической единицы. Отсутствие заряда в потенциальной яме будет соответствовать логическому нулю.

Если после записи логической единицы в первую потен­циальную яму подать напряжение на второй затвор секции переноса U ₂ > U ₁,то под вторым затвором будет образована более глубокая потенциальная яма, в которую перей­дут электроны из первой потенциальной ямы. Для даль­нейшего перемещения электронов в сторону стока напря­жение U ₁уменьшают до нуля и подают напряжение на третий затвор U ₃ >U ₂. При этом электроны из второй потенциальной ямы перейдут в третью, образованную под этим затвором. Таким образом, коммутируя различные по значениям напряжения U ₁, U ₂и U ₃,можно осуществить передвижение пакета неосновных носителей заряда от истока к стоку.

После переноса заряда в потенциальную яму под де­вятым затвором секции переноса подается напряжение на выходной затвор U _вых> U _пop. Между стоком и послед­ней потенциальной ямой образуется канал п -типа, по которому электроны из потенциальной ямы начнут перехо­дить в область стока, образуя в цепи стока электрический ток. Если же в потенциальную яму был записан логический нуль, то ток в цепи стока не появится или будет очень мал.

Максимальное время хранения зарядового пакета в потенциальной яме составляет 2*10^-2 с. Поэтому ПЗС могут работать только в нестационарном состоянии по­тенциальных ям. Для управления работой устройств на ПЗС необходимы генераторы, формирующие синхронизи­рованные между собой периодические последовательно­сти тактовых импульсов. Интервал рабочих частот устройств на ПЗС ограничен сверху и снизу. Верхняя частота определяется потерями заряда при его продвиже­нии между потенциальными ямами, а нижняя — процесса­ми термогенерации, приводящими к накоплению в потенци­альных ямах паразитных зарядов. Поэтому при проекти­ровании запоминающих устройств на ПЗС должны быть предусмотрены элементы регенерации и специальные ре­жимы работы, осуществляющие восстановление хранимой', информации.

Запоминающие устройства на цилиндрических магнит­ных доменах. ЦМД предсталяют собой малые области, созданные в магнитных пленках. Намагниченность этих областей противоположна намагниченности пленки (рис. 13.36). Размеры ЦМД могут быть от единиц до десятков микрометров. Энергия ЦМД тем меньше, чем меньше магнитное поле, поэтому они стремятся перейти из области сильных магнитных полей в область более слабых полей, называемых магнитными энергетическими ямами. На этом свойстве основано управление движением ЦМД. Изменение магнитного поля в пленке, т. е. перемещение магнитных ям, осуществляется при помощи специального вра­щающегося магнитного поля.

Память, созданная на основе ЦМД,обладает высоким быстродействием (время цикла 5 * 10^-7 с, считывания 10^-7 с, записи 1,5 * 10^-4 с) и стойкостью к радиации. ЦМД по­зволяет осуществлять многократную перезапись информации, а записанная информация сохраняется и при отключении источников питания.

Рис. 13.36. Запоминающий элемент на ЦМД

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ