Матрица приборов с зарядовой связью Советский патент 1984 года по МПК H01L29/768 

J 10НЛ

(Ч/г. Г 1 Изобретение относится к полупроводниковой микрбэлёктронике и вь1Чйс лительной технике и может найти при менение в системах обработки информ ции, в частности в микропроцессах. Приборы с зарядовой связью с заглублённьм каналом,содёржащие поле вые электроды, слой диэлектрика и полупроводййка йро Тйврположных типов проводимости ,известныС11. - Однако такие приборы могут работать только в качестве фотопреобразователей и динамических ЗУ. По основному авт.св. № 533090 известна матрица приборов с зарядово связью. . Этй1 не выполнять функцию ассоциативного ЗУ (АЗУ). Целью изобретения йвляется реализация функции АЗУ. Поставленная цель достигается г -гёй, что в предложенной матрице на полупроводниковой подложке размещен слой 1Ш1Упр6воййЙйа йрйтйШпШгбжного типа проводимости,а слой диэлект рйка пЪд 6ДНЙЙ из электродов в каждой ячейке содержит ловушки а захвата метастабильного заряда. На фиг. 1,2 показана )едлагаемая матрица; фиг. 3-5 иллюстрируют ее работу. Матрица представляет собой полупроводниковый кристалл, состоящий из основной подложки (например, ртипа) и слоя полупр эводника противо. : 11оложного типа проводимости (п-типа) толщиной L , покрытого диэлектриком на который нанесены изолированные друг от друга электроды двух уровней, имеющие зарядовую связь вместа пересечения только через слой полупроводника, нанесенного на основную . подложку. Нижний ряд электродов Л1-УтИ верхний ряд электродов (столбцы) Х - Х2 образуют в местах пе ресечения элементы Ад.,. , s пределах ко-горых между столбцами и по Шё|хШс Ью слдй йолупроводника распо ложен слой диэлектрика, обладающий свойством хранения метастабильного при отключенном источнике пит ния. Слой полупроводника и полупроводниковая подложка протизвоположного типа проводимости образуют объемный р-п-переход, общий для всей матрицы В пределах элементов между строками и столбцами реализуегся зарядЪвая связь, которая может быть обеспечена известными способами (бли 82 КИМ расположением электродов,- легированием зазора, перекрытием электродов, высокоомнын слоем и т.д.). Между любьми другими электродами вне элементон/ у , ) .зарядовая связь отсутствует. Там, где электроды расположены так, что можетвозникнуть зарядовая связь, вводятс} потенциальные барьеры известньми способами (легированием зазора, введением толстого диэлектрика и т.д.). Это позволяет увеличить плотность упаковки элементов. Части столбцов вне элементов образуют со слоем полупроводника МЦП-структуры, порог которых по величине больше любого рабочего напряжения, прикладываемого к столбцам. Это достигается известными приемами (заданной толщиной диэлектрика или легированием поверхности полупроводника). Устройство работает следуювдм образом. , При отсутствии метастабильного заряда под электродом Х п пределах элемента уА у. . приложение к этому электроду потенциала (отрицательного для слоя ) приведет к образованию обедненного основными носителями слоя глубиной W. При некотором напряжении U, которому соответствует поверхностный потенциал . , будет выполняться условие , что приведет к заполнению потен1ц альной ямы неосновными носителями из подложки, Возрастанию поверхностного потенциала по абсолютной величине и вследствие этого к прекращению тока при .. Если на электрод строки Ч- подано напряжение Uy , которому соответствует поверхностный потенциал Aj , то при 14 Р различных концентраци ях примеси под X и под Y) заряд неосновных носителей будет перетекать в неравновесную емкость, образованную электродом Y.и сло:ем полупроводника, изменяя поверхностный потенциал , т.е. в пределах элемента реализуется зарядовая связь, которая позволяет вводить неосновные носители из общего р-п-перехода в неравновесные МДП-конденсаторы, образованные электродом строки YV и слоем полупроводника при отсутствии метастабильного заряда в диэлектрике под электродом Xj. При наличии метастабильного заряда, при котором напряжение не приводит к образованию потенциальной ямы глубиной N)y L , тока между р -г -переходом и конденсатором-строкой не бу При приложении к напряжения. соответствующегс напряжению записи в МДП-структурах |изд„| |и | , произойдет зарядка ловушек в МНОП-струк турах под электродом X,- в элементах ° приведет к образо ванию метастабильного (в данном слу чае положительного) заряда (Я в эти элементах. Связь между величиной порога Оц, толщиной слоя кремния п-типа и уровнем его легирования N можно получить, решая уравнение Пуа сона для п- и р-областей (с уровнем легирования Мд) и сшивая их, известн способом на границе при условии равенства потенциалов U 2Е.-&, J n UcJ , где ( - заряд электрона; EcO o диэлектрическая про 1ицаемость полупроводника, диэлектрика и вакуума соответственно;и, - контактная разность потен- циалов р- п-перехода L 5 d 1,5-10 10 Ч/см5, Мд 10 1/смЧ пол 4v5i 0 11,8 В, что достаточно далеко от напряжения записи в МНОПструктурах метастабильного заряда (40-50 в), т.е. при напряжении U на электродах столбцов информация, представленная зарядами Q и 2 разрушаться не будет. Ассоциативный поиск информации может производиться следующим образом. Признак, опроса длиной К - 8 вводится в устройство, аналогичное устройствам регенераторов-инверторо и устройствам считывания без разрушения, информации,используемым в ПЭС ЗУ и других ПЗС-устройствах, что пр ведет к вводу в регистры РС1 и РС2 признака в прямом (например, регист РС1) и обратном (регистр РС2) коде (если в РС1 введено, например число 1001, то в РС2 должно быть введено соответственно 0110). Далее производится подключение шин и Хц-Хр к источнику питания в соответствии с величиной заряда в ячейках РС1 и РС2. При этом может быть использовано свойство управления потенциалом затвора и ДП-транзистора за- . рядом, находящимся в ПЗС,преобразова-. ние типаС1- Е . Для упрощения внешних управляющих схем первая 1 признака опроса (в РС1 или в РС2) может быть использована (после полного ввода признака) для подключения источника тгитания к общей шине, к которой будут подключаться , в соответствии с выражением признака. Таким образом, после ввода признака (за время i , где , - частота работы РС1 и РС2 ПЗС, t - время переходнь1х процессов при установлении напряжения U), на заданных электродах столбцов будет установлено напряжение и в соответствии с кодом (прямым и обратным) признака опроса. Одновременно с установлением (J на электродах столбцов Х -Х{ИХ| -Хд на все электроды строк Y подастся м пульс обедняющего напряжения, после чего все электроды строк отключаются от источника питания, образуя неравновесные ВДП-конденсаторы. Затем происходит выделение искомой строки за счет образования инверсионного слоя в ВДП-конденсаторах неосновными носителями, поставляемыми из подложки элементыAX.J илиА|(.-.(в пречерезделах между Х п. существует зарядовая связь) в зависимости от величины метастабильного заряда под электродом или Х в элементах Лj(,j . Режим заполнения МДП-конденсатора неоснованными носителями через элемент Ау назовем режимом вычеркивания строк. Выборка искомой строки по ассоциативному признаку происходит согласно таблице истинности из которой видно, что только полное совпадение признаков опроса и ассо- . циативного, принадлежащего записанному в строке слову, не приводит к образованию инверсионного слоя в ВДП-конденсаторе, что эквивалентно по принятой терминологии нахождению невычеркнутой строки. Таким образом, в результате параллельного ассоциатинного поиска будет вьщелена строка в которой записана искомая информация. ff-f t XL, xi - Признан опросаАссоциа тибные признаки /jy Далее устройство работает в режиме считывания. ДляЭТОГО последовательно подается напряжение С/ на столбцы -Х или что приводит в случае отсутствия метастабильного заряда (т.е. flp в элементе Ау) к изменению концентрации основных носителей в подложке противоположного типа проводийостйза cTfeT зЗДблнения потенциальной ямы в элементе xv никиовению тока между слоем полупроводника и подложкой (объемный р-Л-переход), который может быть за фиксирован внешним устройством как наличие в элементе 2° всех других строках в элементах A;(. при j образование инверсионного слоя происходит за счет неосновных йосителей из равновесных МДП-конден саторов (строк), заполнёниых носите лями ВДй ассоциативном поискепри н личии зарядовой сйязи в элементах АХ-З- предотвращ ения ложного считьгеания из других (вычеркнутых) )ОК й1йПуЛьс напряжений, пОс упаю1Е51Й на К; , должен иметь передний фройт специальной формы (ступенька или косой фронт) для того, чтобы вначале была, возможность заполнения потенциальной ямы в элементе (при QQ) из равновесных ЩП-конденсаторов (строк), а затем из общего р-п-п1ё:рё 6да, поскольку врпейёйа эти процессов Сравн№4ы. Стирание информации в Эадэнном элементе АХ- производится следующим образом. 8t: Для перезарядки ловушек (стира-, ние в МНОП-струКтуре) необходимы подвижные носители. Запись информации производится подачей напряжения записи (отрицательного слоя п-типа), на электрод X,-, что приведет к выбросу электронов из ловушечных центров в МНОП-структуре и, следовательно, к заряду этой структуры положительным зарядом, нейтрализовать который может импульс противоположной полярности при наличии свободных носителей (эле1Лронов). Свободные носители в элементе отсутствуют, если к электроду строк приложено напряжение, приводящее к образованию обедненной основными носителями области на глубину слоя полупроводника вокруг электрода X; при обратном смешении рбъемнрго р-п-перехода, т.е. в этом случае МНОП-структура в элементе А.у- изолирована от основных носителей. Используя свойство предлагаемой . структуры - возможность локальной изоляции электрода электродом У: , в пределах элемента . , можно производить произвольную перезапись информации. Предложенная матрица приборов с зарядовой связью может работать как ппзу. . Оценочные параметры АЗУ: быстродействие л/10 НС, потребляемая мощ- , нОсть л/1 м Вт, площадь кристалла, занимаемая элементом при стандартной фотолитографии, 150-200 мкм (бит), при этом необходимы только два элемента АХ,.-j. . Регулярность структуры, отсутствие План арных р-ti-переходов и контактов, к ним поййо-ляют достигнуть высокого процента выхода годных, а совместимость с матрицами ПЗС позволяет создавать высокоэффективные микропроцессоры на одном кристалле.

Хй.

ч.

0011

л/

)fi

г/7

/«.

-ft-/

+тП

МАТРИЦА ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ по авт.св. № 533090, от л и- чающаяся тем, что, с целью реализации функции АЗУ, на полупровод" никовой подложке размещен слой полу- П1рЬвддника; противоположного типа проводимости, а слой диэлектрика под одним из электродов в каждой ячейке содержит ловушки захвата метастабиль- ного заряда.

v-J

1100

0110

7 -с

У

-М

X

/l

п

-А

fVf

{- + +

у

/

-Г

1001

-T

.4:d::±

/Z

У/

) Ассоциатибнт

/(

/77

/g f Хл jfg

J

fJpu3HQHU

719408

//I ./

yj v

ir

4i:tt.

r

.y --Ч I

I/

----JJjL

v-.- s tesrJ.

5tevsM 4 «y« .---i 3iri- -.-r

4-4v ie™ i) n