Матрица приборов с зарядовой связью

СОЮЗ СОЭЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН НИЯ ЕЧ ЕЛЬЮ К АВТОРСКОМУ 8Череповолупроводников БЪа 1 е С 1 геп 11 в,972.991-1007, 1973. ОСУДАРСТНЕННЬЙ НОМИТЕТ СССРО ДЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ПИСАНИЕ ИЗОБ(71) Институт физикиСО АН СССР(54)(57) МАТРИЦА ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащая полупроводниковый кристалл и системы горизонтальных пересекающихся электродов, разделенных между собой и кристаллом слоями диэлектрика, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что, с целью расширенияфункциональных возможностей, нижнийпроводящий электрод в области перерытия с верхним электродом имеет окно,причем один из электродов являетсяобщим для всей строки матрицы, адругой - общим для всего столбца.533090 Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и вычислительной технике и может найти широкое применение в арифметических изапоминающих устройствах ЭБМ, н оптоэлектронных устройствах обработкиинформации.Известен двумерный массив на приборах с зарядовой связью, являющийсяматрицей приборов с зарядовой связью 11,Известно также устройство, состоящее из модифицированных поверхностно-зарядоных транзисторов, образующихматрицу элементов памяти. Оно состоит из полупроводникового кристаллаи системы горизонтальных пересекающихся электродов, разделенных междусобой и кристаллом слоями диэлектрика, не позволяющее осуществлять запоминание 2 .Целью изобретения является расширение функциональных возможностейматрицы.Цель достигается за счет одинакового полевого воздействия электродовн области их перекрытия на полупроводник. Для этого нижний проводящий25электрод в области перекрытия с верхним электродом имеет окно для электрического поля верхнего электрода,причем один из электродов зарядовогоэлемента является общим для всей30строки матрицы, а другой, пересекающийся с ним, общим для всего столбца.Для реализации возможности одинакового воздействия на поверхность 35полупроводника электродов обеих уровней электроды нижнего уровня перфорируются в местах образования зарядового элемента так, что электроды вто-.рого уровня получают ту же нозможность воздействия на поверхность полупроводника в местах перфорации,в частности при одинаковых по ампли-.туде управляющих импульсах на электрродах первого и второго урогней иодинакоаои толщине диэлектрика между электрода 5 ы как первого, так ивторого уровней, и поверхностьюполупроводника, площади тех частейэлектродов, которые лежат на тонкомокисле и образуют зарядовый элемент,должны быть равны. В терминах поверхностно-зарядовых транзисторовПЗТ (источник - электрод, управляющий переносом - приемник) электроды зарядового элемента выполняютодновременно или поочередно функциюисточника или приемника, поверхностно-зарядовая связь (ПЗС) между двумя рядами расположенными зарядовыми элементами осущестнляется при помощи электрода, управляющего переносом, или другим известным способом,но при этом один из электродов одного из уровней для обоих элементовбудет общим. 65 Матрица работает следующим образом.Б режиме у с т р о й стнаумноженияипоследующегосложения (н ы ч и т а н и яДва числа, которые необходимо перемножить, представляются в двоичном коде. Каждой цифре, в соответствии с ее значением ("О " или "1"), вводятся два различных уровня потенциалов Б 1 и Бо, 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 н соответствии с их изображением (сочетанием "1" и "О") могут быть представлены набором потенциалов Г (ссответствующего "1") и Е (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 н 55 естах пересечения электродов первого и второго уровней (т.,е, в зарядоном элементе) могут быть. очевидно, следующие сочетания потенци 05 у О оле накопления неосйовных носителей н потенциальных ямах (за счет термоили оптической генерации) произой - дет изменение физической природы носителя информации: там, где на электроде в зарядовом элементе был потенциал Е будет накоплен заряд неосновных носителейоа , там где Е - заряд О (с Д А,с,или Я =- 0 После накопления зарядон в потенциальных ямах н соответствии с Г, и Ео 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 г.о при соХранении на электродах другого уровня набора потенциалов, соответствующего одному из множимых чисел. Та же операция производится с электродами другого уровня при сохранении набора потенциалон, соответствующего другому множимому числу. В пределах каждого зарядового элемента перенос заряда неосновных носителей из одной потеициальной ямы в другую, более глубокую, проис 533090ходит только при сочетании на электродах потенциалов Е Г 1, во всех дру-. гих случаях заряд будет экстрагирован подложкой, После установления на всех электродах потенциала Е (соответствующего напряжению хранения 5 в ПЗС и ПЗТ) имеем матрицу потенциальнь".х ям, в которых присутствие или отсутствие заряда неосновных носителей соответствует логической "1" или "0", а их положение в мат рице - набору частичных произведений, поскольку в каждом зарядовом элементе выполнены правила умножения цифр множимого и множителя, а строка (столбец) в этом случае со держит частичное произведение. Строка (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 (аналогично работе регистров сдвига или фотопри" емных матриц из ПЗС и ПЗТ), причем возможно поразрядное смещение частичных произведений.30 Сложение (вычитание,1 двоичного числа с результатом умножения может быть произведено после образования частичных произведений и смещения их в матрице на один шаг в освободившуюся строку (столбец) инжекцией зарядов неосновных носителей, например, из Р-п переходов, находящихся в обрамлении матрицы.В режиме з а и о м и н а ю щ е г о у строй с т в а с последовательной выборкой по словам и с произвольной выборкой. 45Информация в матрицу зарядовых рлементов записывается следующим образом: под всеми электродами одного уровня накапливаются заряды неосновных носителей: слово, которое необходимо записать в данную строку (столбец) представляется набором потенциалов Г, и Ес (аналогично предыдущему режиму) и подается на электроды этого уровня, одновременно 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 60 электрода принимает значение Го В зарядовых элементах, в которых производится запись, сочетание потенциалов на обоих электродах о Ео приводит к сохранению заряда, 65 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 электродахдругого уровня при записи других слов в другие столбцы (строки). Считывание информации производится аналогично работе регистра сдвига наПЗС (Пзт),Произвольная выборка информации может быть реализована путем измерения потенциала электрода одного уровня, под который перенесен заряд( Я мас или 0О ма кс ) из-под электрода другого уровня в зарядовомэлементе, из которого необходимосчитать информацию, при этом во всехдругих зарядовых элементах, для которых этот электрод является общим,заряды перенесены под электроды другого уровня. Произвольная выборкаможет быть реализована так же, каки в матрице модифицирования ПЗТ путем введения диффузионной линии считывания,Постоянноезапоминающее устройство.В этом случае в заданныхместах под электродами одного из уровней в тонкий диэлектрик, разделяющий электроды и поверхность полупроводника, встраивается технологическим путем неподвижный заряд, который приводит к такому изменению глубины потенциальной ямы, что заряд подвижных неосновных носителей, накопленных под электродом с введенным неподвижным зарядом, отличается отподвижного заряда, накопленного под электродом, где неподвижный зарядвведен не был при прочих равныхусловиях на величину, позволяющуюих индентифицировать на выходе устройства, как логические "1 " и "0",Полупостоя нное з апоминающее устройст.в о.В этом случае используется эффект накопления заряда на границе двухДэлектРиков, напРимеР 510 д зИ 4в сильных (предпробивных) электрических полях (так называемый "эффект памяти в МНОП-структурах" ),В зарядовом элементе электроды первого и второго уровней отделены отповерхности полупроводника двумяслоями диэлектрика, на границе раздела которых может сохраниться заряд при напряжении противоположного знака на полевом электроде, не превышающем по абсолютному значениюнапряжение записи и стирания (в реальных Р"канальных МНОП-структурах напряжение записи - 50+5 В, амплитуда фазового импульса, достаточная533090 Редактор О,Юркова Техред Л.Бабинец Корректор В. Гирняк Заказ 114/б Тираж 683 Подписное ВНИИХИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г,ужгород, ул.Проектная, 4 для накопления и переноса подвижного заряда и переноса подвижного заряда для аналогичных ПЭС-структур 20+5 В),. а также при отключенныхисточниках питанияЗапись зарядав двухслойный диэлектрик производится в столбце (строке) зарядовыхэлементов, в которых потенциалыэлектродов обоих уровней одинаковыи равны В и под ними накоплен максимальный заряд неосновных носителей 10при изменении на одном из электродовпотенциала Е до потенциала записисоответствующего ИНОП-транзистора,в котором роль инверсионного каналаисточника носителей заряда играет 35область потенциальных йм, заполненных подвижными носителями, происходит закрепление заряда на границераздела двух диэлектриков, которыйэкранирует поле электрода, что приводит к изменению глубины потенциальной ямы при установлении потенциала(при прочих равных условиях).В других зарядовых элементах, гдесочетание потенциалов было Ео Е, 25Е Е ) ГЕ, записи не происходитиз-за отсутствия накопленного заряда подвижных носителей. Время хранения, процессы стирания и перезаписи аналогичны для ИНОП-транзисторов. Считывание в таком устройстве производится без разрушения записанной информации;Другие функциональные возможности матрицы з арядовых 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 иэображение матрицы чисел, Если ввести операцию локальной генерации носителей (например, координатной засветкой элементов) можно реализовать умножение двумерных матриц.