Матрица приборов с зарядовой связью Советский патент 1984 года по МПК G11C17/00 

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и вычис лительной технике и может найти широкое применение в арифметических и запоминающих устройствах ЭВМ, в опт электронных устройствах обработки информации. Известен двумерный массив на при борах с зарядовой связью, являющийс матрицей приборов с зарядовой связый Известно также устройство, состо ящее из модифицированных поверхност но-зарядовых транзисторов, образующ матрицу элементов памяти. Оно состо ит из полупроводникового кристалла и системы горизонтальных пересекающихся электродов, разделенных межд собой и кристаллом слоями диэлектри ка, не позволяющее осуществлять запоминание 2j . Целью изобретения является расши рение функциональных возможностей матрицы. Цель достигается за счет одинако вого полевого воздействия электродо в области их перекрытия на полупроводник. Для этого нижний проводящий электрод в области перекрытия с вер ним электродом имеет окно для элект рического поля верхнего электрода, причем один из электродов зарядовог элемента является общим для всей строки матрицы, а другой, пересекающийся с ним, общим для всего столб ца. Для реализации возмо7((ности рдина кового воздействия на поверхность полупроводника электродов обеих уро ней электроды нижнего уровня перфорируются в местах образования зарядо вого элемента так, что электроды вто рого уровня получают ту же возмож-iHocTb воздействия на поверхность полупроводника в местах перфорации, в частности при одинаковых по амплйтуда управляющих импульсах на электродах первого и второго уровней и одинаковой толщине диэлектрика между электродами как первого, так и второго уровней, и поверхностью полупроводника, площади тех частей электродов, которые лежат на тонком окисле и образуют зарядовый элемент должны быть равны. В терминах поверхностно -з доя довых транзисторов ПЗТ (источник - электрод, управляющий переносом - приемник) электроды зарядового элемента выполняют одновременно или поочередно функцию источника или приемника, поверхностно-зарядовая связь (ПЗС) между двумя рядами расположенными зарядовыми элементами осуществляется при помощи электрода, управляющего переносом, или другим известным способом, но при этом один из электродов одного из уровней для обоих элементов будет обишм. Матрица работает следующим образом . В режиме устройтва умножения следующего сложения (в ы ч и т а н и я). Два числа, которые необходимо перемножить, представляются в двоичном коде. Каждой цифре, в соответствии с ее значением (О или 1), вводятся два различных уровня потенциалов HI и ЕО , один из которых эквивалентен потенциалу записи в ПЗС (ПЗТ), другой не приводит к образованию обедйенной области, или, во всяком случае, приводит к накоплению заряда, существенно отличного от величины заряда при другом потенциале при той же величине емкости системы электрод - диэлектрик - полупроводник. Таким образом, числа в соответствии с их изображением (сочетанием 1 и О) могут быть представлены набором потенциалов В( (сеответствующ,его 1) и EQ (соответствующего О), которые с учетом их последовательности в числе подаются (прикладываются) на электроды, причем один набор потенциалов (изображение одного числа) прикладывается на электроды одного уровня, набор других потенциалов (изображение другого числа) прикладывается на электроды другого уровня. В результате будем иметь матрицу потенциалов, причем в местах пересечения электродов первого и второго уровней (т,е, в зарядовом элементе) могут быть, очевидно, следующие сочетания потенциалов : Е, ЕО ; ЕО EI ; Eg ЕО ; Е, Е. . после накопления неосновных носителей в потенциальных ямах (за счет термоили оптической генерации) произойдет изменение физической природы носителя информации: там, гдена электроде в зарядовом элементе был потенциал Е( , будет накоплен заряд неосновных носителей Q (uaicc , там где Е,;, - заряд Q с Q макс Q О После накопления зарядов в потенциальных ямах в соответствии с Е, и EQ осуществляется перенос зарядов в пределах зарядов элементов из-под всех элементов одного уровня под электроды другого. Это осуществляется путем подачи на все электроды одного уровня потенциала сохранении на электродах другого уровня Набора потенциалов, соответствующего одному из множимых чисел. Та же операция производится с электродами другого уровня при сохранении набора потенциалов, соответствующего другому множимому числу. В пределах каждого зарядового элемента перенос заряда неосновных носителей из одной потенциальной ямы в другую, более глубокую, происходит только при сочетании на элект родах потенциалов Е, Е, , во всех дру гих случаях заряд будет экстрагирован подложкой. После установления на всех электродах, потенциала Е {со ответствующего напряжению хранения в ПЗС и ПЭТ) имеем мГатрицу потенциальных ям, в которых присутствие или отсутствие заряда неосновных носителей соответствует логической 1 или О, а их положение в матрице - набору частичных произведений, поскольку в каждом зарядовом элементе выполнены правила умножения цифр множимого и множителя, а строка (столбец) в этом случае содержит частичное произведение. Стро ка (столбец) последовательно выно-. сится из матрицы, при этом электроды, на которые подавались наборы потенциалов в соответствии с перемножаемыми числами, играют роль полевых электродов, которые необходимы для переноса зарядов из столбца (строки) в столбец (строку) до тех пор, пока весь результат не бедет выведен из матрицы (анало ично работе регистров сдвига или фотопри емных матриц из ПЗС и ПЗТ) , причем возможно поразрядное смещение части ных произведений. Сложение (вычитание) двоичного числа с результатом умножения может быть произведено после образования частичных произведений и смещения их в матрице на один шаг в освободи шуюся строку (столбец) инжекцией зарядов неосновных носителей, напр мер, из р-п переходов, находящихся в обрамлении матрицы. В режиме зап о м и н а ющего устройс т в а с последовательной выборкой по словам вольной в ы и с п р о и 3 б о р к о и. о Информация в матрицу зарядовых 15лементов записывается следующим образом: под всеми электродами одн го уровня накапливаются заряды нео новных носителей: слово, которое н обходимо записать в данную строку (столбец) представляется набором потенциалов Е, и EQ (ансшогично предыдущему режиму) и подается на электроды этого уровня, одновремен но все электроды другого уровня, кроме того электрода, под которым должно быть записано слово, принимают значение потенциала Е, , что приводит к переносу заряда в тех зарядовых элементах, где потенциал электрода принимает значение С В зарядовых, элементах, в которых производится запись, сочетание потенциалов на обоих электродах ЕО ЕО приводит к сохранению заряда. Таким образом, записано слово, после чего На этом столбце (строке) устанавливается потенциал хранения, что позволяет сохранить информацию под электродом одного уровня при изменении потенциалов на электродах другого уровня при записи других слов в другие столбцы (строки). Считывание информации производится аналогично работе регистра сдвига на пае (ПЗТ), Произвольная выборка информации может быть реализована путем измерения потенциала электрода одного уровня, под который перенесен заряд (Q мокс или Q « О макс ) из-под электрода другого уровня в зарядовом элементе, из которого необходимо считат ь информацию, при этом во всех других зарядовых элементах, для которых этот электрод является общим, заряды перенесены под электроды другого уровня. Произвольная выборка может быть реализована так же, как и в матрице модифицирования ПЗТ путем введения диффузионной линии считывания . Постоянное запоминающее устройство. В этом случае в заданных местах под электродами одного из уровней в тонкий диэлектрик, разделяющий электроды и поверхность полупроводника, встраивается технологическим путем неподвижный заряд, которьШ приводит к такому изменению глубины потенциальной ямы, что заряд подвижных неосновных носителей, накопленных под электродом с введенным неподвижным зарядом, отличается от подвижного заряда, накопленного под электродом, где неподвижный заряд введен не был при прочих равных условиях на величину, позволяющую их индентифицировать на выходе устройства, как логические 1 и О. Полупостоянное запомин ющее устройс тв о. в этом случае используется эффект накопления заряда на границе двух Диэлектриков, например В Сильных (предпробивных) электрических полях (так нaзывae ый эффект памяти в МНОП-структурах). В зар51довом элементе электроды первого и второго уровней отделены от поверхности полупроводника двумя слоями диэлектрика, на границе раздела которых может сохраниться заряд при напряжении противоположного знака на полевом электроде, не превышающем по абсолютному значению напряжение записи и стирания (в реальных Р-канальных МНОП-структурах напряжение записи - 50+5 в, амплитуда фазового импульса, достаточная

для накопления и переноса подвижного заряда и переноса подвижного заряда для аналогичных ПЭС-структур 20+5 в), а также при отключенных источниках питания. Запись заряда в двухслойный диэлектрик производится в столбце (строке) зарядовых элементов, в которых потенциалы электродов обоих уровней одинаковы и равны tf и под ними накоплен максимальный заряд неосновных носителе при изменении на одном из электродо потенциала fj до потенциала записи соответствующего МНОП-транзистора, в котором роль инверсионного канала источника носителей заряда, играе область потенциальных им, згтолненных подвижными носителями, происходит закрепление заряда на границе раздела двух диэлектриков, который экранирует поле электрода, что приводит к изменению глубины потенцигшной ямы при установлении потенциала Е« (при прочих равных условиях). В других зарядовых элементах, где сочетание потенциалов было EQ EU-J записи не происходит из-за отсутствия накопленного заря да подвижных носителей. Время хранения, процессы стирания и перезаписи аналогичны для МНОП-транзисторов. Считывание в таком устройстве производится без разрушения записанной информации;

Другие функционал ьные возможности матрицы зарядовых элементов.

Каждый зарядовый элемент представ-. ляет собой логическую схему И на три входа (электрод первого уровня, электрод второго уровня, источник неосновных носителей). Заряд неосновных носителей из-под электрода второго уровня может быть перенесен только под электрод первого уровня (т.е. осуществляется однозначная направленность переноса), заряд изпод электрода первого уровня может быть передан как под электрод второго уровня, так и в ближайшие зарядовые элементы (по крайней мере в 4 ближайшие элемента),, что позволяет изменять двумерное изображение Матрицы чисел. Если ввести операцию локальной генерации носителей (например, координатной засветл ой | .элементов} можно реализовать умножение двумерных матриц.

МАТРИЦА ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащая полупроводниковый кристалл и системы горизонтальных пересекающихся электродов, разделенных между собой и кристаллом слоями диэлектрика, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, нижний проводя1дий электрод в области пере- рытия с верхним электродом имеет окно, причем один из электродов является общим для всей строки матрицы, а другой - общим для всего столбца.