ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8946
Скачиваний: 15
46
в качестве ЛЭ для простоты выбраны инверторы. Импульсы
Ф
1
и
Ф
2
сдвинуты на полпериода, их эпюры показаны на рис. 9.9,
б
,
в
. Выходные сигналы нечетных инверторов синхронны с импуль-
сами
Ф
1
, а четных — с импульсами
Ф
2
. Если сигнал на вход пер-
вого ЛЭ поступает от предыдущего элемента цепочки, то он син-
хронен с
Ф
2
(рис. 9.9,
г
).
Предположим, что фронты логических сигналов малы
по сравнению с длительностью тактовых импульсов. Напряжение
на выходе первого ЛЭ изменяется, когда поступает импульс
Ф
1
в момент t
2
, т. е. с задержкой на полпериода по отношению к мо-
менту t
1
изменения напряжения на входе (рис. 9.9,
д
). В течение
интервала времени от t
1
до t
2
ЛЭ «помнит» предыдущее значение.
Запоминание предыдущего состояния является важнейшим
свойством динамических ЛЭ.
Логические элементы
И
-
НЕ
,
ИЛИ
-
НЕ
получают последова-
тельным или параллельным включением нескольких активных
транзисторов так же, как в статических схемах.
На рис. 9.10, a показана четырехтактная схема, в которой ин-
верторы включены в последовательную цепочку, а на рис. 9.10,
б
—
временные диаграммы тактовых импульсов, напряжений на вхо-
де первого и выходах первого и второго ЛЭ. За время действия
импульсов
Ф
1
на выходах нечетных элементов независимо от
входного сигнала происходит заряд емкостей до напряжения
1
U ,
так как в этих элементах транзисторы VТ3 открыты, а VТ2 за-
крыты. В промежутках между
Ф
1
и
Ф
2
выходное напряжение
1
U
поддерживается емкостями
Сн
. При поступлении импульса
Ф
2
транзистор VТ2 отпирается, а VТ1 будет закрыт или открыт в за-
висимости от напряжения на входе. Поэтому на выходах нечет-
ных элементов устанавливается инвертированное входное
напряжение, которое после окончания
Ф
2
и до прихода следую-
щего импульса
Ф
1
поддерживается емкостями
Сн
.
Импульс
Ф
1
называют импульсом предварительной уста-
новки выходного напряжения (на уровне
1
U ), а
Ф
2
— импульсом
опроса. Для четных элементов импульсом предварительной уста-
новки является
Фз
, а импульсом опроса —
Ф
4
. Выходной сигнал
устанавливается по отношению к входному с задержкой, равной
0,5T
T
. В четырехтактных ЛЭ мощность затрачивается только
47
на перезаряд нагрузочных емкостей; она меньше, чем в двухтакт-
ных ЛЭ. Мощность пропорциональна тактовой частоте и не зави-
сит от длительности импульсов. Напряжение низкого уровня
0
U
практически равно нулю.
а
б
Выход2
Вход2
Ф
4
Ф
3
Ф
2
Ф
1
Вход1
Выход1
VT1
VT2
VT3
VT3
VT2
VT1
∆t
U
ВЫХ2
U
ВЫХ1
U
ВХ
t
t
t
t
t
t
t
Ф
1
Ф
2
Ф
3
Ф
4
Т
Т
∆t
С
Н
С
Н
Рис. 9.10 — Схема подачи тактовых импульсов от четырех фаз
9.5
Приборы
с
зарядовой
связью
Приборы с зарядовой связью (ПЗС), как и транзисторы, об-
ладают свойством универсальности, позволяющим использовать
их в самых разнообразных устройствах. Они применяются в циф-
ровых ЗУ большой информационной емкости. В оптоэлектрон-
ных приемниках изображений на основе ПЗС создают формиро-
ватели видеосигналов.
48
В радиотехнических системах обработки информации ПЗС
используют при разработке линий задержки, фильтров различных
типов, устройств для спектрального анализа и обработки радио-
локационных сигналов.
В этом разделе рассматриваются устройство, принцип дей-
ствия и параметры элементов ПЗС, а также разновидности их
конструкций.
Устройство, принцип действия
Основными элементами ПЗС являются однотипные МДП-
конденсаторы, сформированные на общей монокристаллической
полупроводниковой подложке 1 p-типа (рис. 9.11). Расположен-
ные на слое диэлектрика 2 полоски затворов 3 образуют регуляр-
ную линейную систему или плоскую матрицу. Для большинства
приборов подложку изготовляют из высокоомного кремния, за-
творы — из алюминия или поликристаллического кремния, ди-
электриком служит диоксид кремния. Затворы с помощью алю-
миниевых или поликремниевых пленочных проводников присо-
единяют к управляющим шинам, на которые относительно зазем-
ленного электрода подложки подают импульсные управляющие
напряжения.
4
А
Ф
1
Ф
1
Ф
2
Ф
2
Ф
3
Ф
3
А
А
1
2
3
p
p
+
3
а
б
Рис. 9.11 — Технология получения ПЗС структур
В рассматриваемом приборе три управляющих шины
Ф
1
,
Ф
2
,
Ф
3
, поэтому он называется трехтактным. Для приборов с под-
ложкой p-типа управляющие напряжения имеют положительную
полярность.
49
При подаче напряжения высокого уровня, например, на ши-
ну
Ф
1
в приповерхностных областях полупроводниковой под-
ложки под затворами, соединенными с этой шиной (первым, чет-
вертым и т. д.), возникают потенциальные ямы для электронов.
Электрический сигнал в ПЗС представлен не током или напряже-
нием, как в микросхемах на транзисторах, а зарядом, зарядовым
пакетом.
Принцип действия ПЗС основан на накоплении и хранении
зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затворами и на пе-
ремещении зарядовых пакетов между соседними элементами при
изменении управляющих напряжений тактовых импульсов. Вза-
имодействие соседних элементов осуществляется с помощью пере-
носа зарядовых пакетов в полупроводниковой подложке в направ-
лении, показанном стрелкой на рис. 9.11,
а
. Это взаимодействие
называют зарядовой связью, что отражено в названии прибора.
Для того чтобы между соседними элементами обеспечивалась
эффективная зарядовая связь, расстояния между затворами долж-
ны быть достаточно малыми по сравнению с толщиной обеднен-
ных слоев под затворами. Благодаря непосредственной зарядовой
связи между соседними элементами в ПЗС не нужны сигнальные
проводники, необходимые в интегральных микросхемах, содер-
жащих транзисторы. На поверхности большей части кристалла
располагаются только управляющие шины, а сигнальные провод-
ники используются лишь на входах и выходах ПЗС.
У поверхности подложки сформированы области 4 p
+
-типа,
границы которых на рис. 9.11,
а
показаны штриховыми линиями.
Области p
+
-типа ограничивают часть подложки, расположенную
под затвором, в которой перемещаются зарядовые пакеты. По-
этому ее называют каналом переноса.
Рассмотрим физические процессы в МДП-структуре, при-
менительно к ПЗС, которые в отличие от МДП-транзисторов ра-
ботают только в импульсном режиме. Пусть при t = 0 напряже-
ние на затворе изменяется скачком от U
З
= 0 до U
З
>U
ПОР
где
U
ПОР
— пороговое напряжение.
50
φ
φ
ПОР
U
З
t
2
t
1
φ
ПОВ
(t
2
)
φ
ПОВ
(t
1
)
t
2
>t
1
x
0
( )
∞
об
L
( )
2
t
L
об
( )
1
t
L
об
∞
→
t
Рис. 9.12 — Распределение потенциала в ПЗС
Q
n
U
1
З
φ
1
ПОВ
φ
11
ПОВ
φ
ПОВ
φ
ПОР
U
11
З
>U
1
З
>U
ПОР
Q
n
1
МАКС
Q
n
11
МАКС
Рис. 9.13 — Зависимость поверхностного потенциала
от величины зарядового пакета при разных напряжениях
на затворе
В полупроводнике под затвором образуется потенциальная
яма для электронов и в течение очень короткого отрезка времени
(порядка времени диэлектрической релаксации) формируется
обедненный слой с высоким удельным сопротивлением, в кото-
ром под действием поля удалены основные носители — дырки,
а электроны еще не успели накопиться. Глубина потенциальной
ямы максимальна на границе полупроводника с диэлектриком,
здесь начинает накапливаться зарядовый пакет электронов Q
п
. Он
появляется вследствие контролируемого переноса зарядов из со-
седней МДП-структуры и неконтролируемых процессов тепловой