Файл: Электроника Ицкович Часть 2.pdf

46

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  VТЗ  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  на-
пряжение, которое после окончания Ф

2

 и до прихода следующего 

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  на 

47

перезаряд нагрузочных емкостей; она меньше, чем в двухтактных 
ЛЭ.  Мощность  пропорциональна  тактовой  частоте  и  не  зависит 
от  длительности  импульсов.  Напряжение  низкого  уровня 

0

U  

практически равно нулю. 

∆t

U

ВЫХ

U

ВЫХ

U

ВХ

t 

t 

t 

t 

t 

t 

t 

Ф

1 

Ф

2 

Ф

3 

Ф

4 

Т

Ф 

Выход2

Выход1
2

Ф

1 

Ф

2 

Ф

3 

Ф

4 

Вход1

а 

б 

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 присое-
диняют 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

, 

Фд

2

,  Ф

3

,  поэтому  он  называется  трехтактным.  Для  приборов  с 

подложкой p-типа управляющие напряжения имеют положитель-
ную 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. 
Взаимодействие соседних элементов осуществляется с помощью 
переноса  зарядовых  пакетов  в  полупроводниковой  подложке  в 
направлении,  показанном  стрелкой  на  рис. 9.11, а.  Это  взаимо-
действие  называют  зарядовой  связью,  что  отражено  в  названии 
прибора.  Для  того  чтобы  между  соседними  элементами  обеспе-
чивалась  эффективная  зарядовая  связь,  расстояния  между  затво-
рами должны быть достаточно малыми по сравнению с толщиной 
обедненных  слоев  под  затворами.  Благодаря  непосредственной 
зарядовой  связи  между  соседними  элементами  в  ПЗС  не  нужны 
сигнальные  проводники,  необходимые  в  интегральных  микро-
схемах, содержащих транзисторы. На поверхности большей части 
кристалла располагаются только управляющие шины, а сигналь-
ные проводники 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 напряжение 
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