Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 12.doc


Загрузка...
Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

ГЛАВА 12.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...

ГЛАВА 12

ПОВЫШЕНИЕ СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ И НАПРАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

12.1. Проблемы повышения степени интеграции


Степень интеграции (число элементов и компонентов на кри­сталле N или k =lgN) является условным количественным показа­телем сложности ИС. Различают интегральные схемы МИС – ма­лой степени интеграции (k = 1;2); СИС – средней степени интегра­ции (k = 3;4); СБИС – сверхбольшой степени интеграции (k = 5;6;7) и УБИС – ультрабольшой степени интеграции (k > 7). Достаточно большой установленный интервал значений N (или k) в каждой группе учитывает различную технологическую сложность конкрет­ных ИС, связанную с их назначением (аналоговые или цифровые) и типом используемых элементов (биполярные или полевые).

Поэтому принято степень интеграции логических ИС опреде­лять не просто числом элементов (транзисторов, диодов, резисто­ров) на кристалле, а числом простейших логических элементов (ЛЭ) – обычно двухвходовых вентилей. Это позволяет учитывать специфику ЛЭ цифровых ИС, где логические схемы занимают су­щественную часть площади кристалла. Число таких вентилей в МИС до 10, в СИС до 102, в БИС от 102 до 105, в СБИС от 105 до 107 и в УБИС свыше 107.

Здесь мы будем говорить, в основном, о проблемах, связанных с переходом к СБИС. Дело, однако, не столько в количественном, сколько в качественном отличии технологии СБИС, свойств их эле­ментов, применяемой схемотехники и методов проектирования. Для создания СБИС необходима новая технологическая база. Она характеризуется разработкой прецизионных методов литографии с разрешающей способностью 1 мкм и менее, применением сухих методов травления и низкотемпературных процессов (менее 1000 °С), использованием тонких эпитаксиальных структур и мелкозале­гающих р-n-переходов (с глубиной порядка 0,1 мкм), применением многослойных систем разводки соединений и комплексной автоматизации технологического процесса. Важнейшей из перечислен­ных технологических проблем является проблема субмикронной литографии. Разрешающая способность фотолитографии ограни­чивается длиной волны света (примерно 1 мкм). Поэтому субмик­ронная литография должна использовать излучение со значитель­но меньшей длиной волны (электронные, ионные, рентгеновские лучи), т.е. использовать принципиально другую физическую и тех­ническую основу производства.

В СБИС размеры элементов приближаются к своим физичес­ким пределам. При размере 0,1...1 мкм характеристики элементов могут существенно измениться. Требуется разработка уточненных теорий, удовлетворительно описывающих параметры и характери­стики элементов в таких условиях, и широкое проведение экспери­ментальных исследований.

В связи с этим большое практическое значение имеет разра­ботка новых конструкций элементов, позволяющих добиться повы­шения степени интеграции при существующей разрешающей способности литографии: создание функционально-интегрированных элементов, самосовмещение различных областей и создание трехмерных (многослойных) структур.

В функционально-интегрированных элементах одна и та же по­лупроводниковая область совмещает функции областей несколь­ких простейших элементов (см., например, § 11.6). В основе идеи самосовмещения лежит использование ранее созданных на кри­сталле структурных элементов в качестве масок для получения по­следующих элементов, многократное легирование через одно и то же отверстие в маске и другие технологические приемы. Большой эффект дает сочетание самосовмещения с регулированием гори­зонтальных размеров, скоростью и длительностью процессов фор­мирования слоев (травление, окисление и т.п.). Это позволяет по­лучить субмикронные размеры некоторых областей при разрешаю­щей способности фотолитографии более 1 мкм, а также ослабить влияние на размеры элементов точности совмещения масок. В трехмерных структурах элементы располагаются не в одной плос­кости, а формируются в разных слоях, чередующихся в вертикаль­ном направлении.

Исключительно важной является проблема воспроизводимо­сти параметров элементов с субмикронными размерами, а также увеличения процента выхода годных кристаллов. Это требует по­вышения точности контроля всех технологических процессов, ка­чества исходного материала, снижения плотности дефектов в сло­ях диэлектриков, металлов, резистов и масок для литографии. Для получения высокого процента выхода годных кристаллов при соз­дании СБИС предусматривается резервирование элементов и уз­лов. Для проверки правильности функционирования; автоматичес­кого поиска неработоспособных узлов и их замены резервными в СБИС могут использоваться дополнительно встроенные внутрен­ние блоки, работающие по определенной программе.

Продолжающаяся миниатюризация отдельных полупроводни­ковых приборов ведет к уменьшению их размеров и увеличению плотности упаковки (на единицу площади кристалла). Вследствие этого сокращается время прохождения сигнала между приборами, а это создает возможность повысить рабочую частоту (быстродей­ствие). Однако получение межэлементных соединений при боль­шой плотности упаковки становится серьезной проблемой, ограни­чивающей быстродействие. Установлено, что в наибольшей степе­ни ограничение быстродействия наблюдается в вентильных мат­рицах, имеющих сравнительно длинные соединения.

Дело в том, что внутри ИС соединения приходится уже рассмат­ривать не как RC-линию, а как RL-линию небольшой длины, мало влияющую на быстродействие. Основной же причиной ограниче­ния является погонная емкость линий связи, которые могут быть довольно длинными. Пусть линия связи имеет погонную емкость С. Если длина линии l и через нее надо передать импульс с амплиту­дой U в течение t секунд, то за каждый импульс в линию вводится мощность . Мощность, передаваемую по соединительной линии, можно снизить, уменьшив амплитуду U или используя ме­нее быстродействующие логические схемы. И наоборот, увеличив мощность, можно повысить скорость переключения (эти выводы справедливы по отношению к ИС с высоким уровнем интеграции независимо от того, что вносит ограничение – прибор или соедине­ния). При высоком быстродействии ограничением станет невозмо­жность отвода выделяющейся теплоты. Поэтому при проектирова­нии необходимо выбрать тип структуры, характеризующийся мень­шим произведением «быстродействие • мощность».

Основное ограничение, обусловленное соединениями в пра­вильно спроектированных УБИС, обычно связано с указанной про­блемой отвода теплоты от кристалла. Ограничение, накладывае­мое на произведение «быстродействие • мощность», в случае бо­лее высоких уровней интеграции диктуется не требованием, свя­занным с быстродействием, а необходимостью отвода более высо­кой рассеиваемой мощности.

Остановимся на одной особенности УБИС, связанной с взаимо­действием ее элементов. При обычном описании БИС/СБИС пред­полагается, что каждый «прибор» ведет себя одинаково как в «изо­лированном» состоянии, так и в составе системы. При этом счита­ется, что полная функция системы (или ИС) определяется исклю­чительно расположением соединительной металлизации, предна­значенной для того, чтобы связать отдельные приборы друг с дру­гом. Это удобно для конструирования приборов и систем. Однако такой подход зависит от реальной возможности изоляции каждого элемента прибора от окружающих его приборов (за исключением планируемой связи, осуществляемой путем создания матрицы со­единения). Такое упрощение, по-видимому, будет ошибочным для УБИС с субмикронными размерами, где изоляция одного прибора от другого (а для общности и от окружающей части металлизации) труднодостижима.

Возможные механизмы взаимодействия приборов друг с дру­гом многочисленны и включают в себя такие эффекты, как емкост­ная связь (одним из примером которой является паразитная ем­кость между соединительными линиями), туннелирование и перетекание зарядов.

Влияние взаимодействия между соседними приборами на по­ведение приборов и схем в УЬИС чаще всего проявляется в связи с тиристорным эффектом и эффектами, обусловленными высоко­энергичными («горячими») носителями. Следствием этих эффек­тов является возрастание тока подложки и тока неосновных носи­телей. Применяемые в настоящее время методы борьбы с тири­сторным эффектом основаны на уменьшении коэффициента усиления по току, на жесткой регулировке рабочего напряжения и на принятии определенных ограничений на структуру, например изго­товление изолирующих канавок, заполненных окислом.
^

12.2. Матричные БИС


Напомним кратко об эволюции ИС и возможностях их приме­нения.

Интегральные схемы малой степени интеграции (МИС) пред­ставляют собой логические схемы, выполняющие простейшие логические операции (И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ), триггерные схемы (триггеры, сумматоры, дешифраторы и т.п.) или схемы усилителей. По мере совершенствования технологии и соответ­ственно повышения степени интеграции стало возможным реа­лизовать функциональные блоки и узлы традиционных систем обработки и хранения дискретной информации в виде СИС. Это, однако, привело к сужению области применения СИС и увеличе­нию числа типов СИС при одновременном снижении объема про­изводства и, следовательно, к увеличению стоимости. По мере дальнейшего увеличения степени интеграции усилилось проти­воречие между универсальностью применения БИС и степенью их интеграции.

Интегральные схемы стали терять универсальность. Выходом из этой сложной ситуации явилось создание на одном кристалле микропроцессора (МП), который представляет собой универсаль­ную БИС, настраиваемую на решение различных задач путем про­граммирования подобно тому, как это делается при решении раз­личных задач на обычных ЭВМ. Более того, МП позволили создать новый класс электронных вычислительных машин –мини-ЭВМ, в том числе конструктивно на одном кристалле в виде БИС. Но при таком подходе не были решены все проблемы. Осталась необходимость в многочисленных БИС частного применения, предназначенных для преобразования информации в ограничен­ном классе РЭА.

С точки зрения разработчика РЭА ИС могут быть разделены на следующие виды: стандартные МИС, стандартные СИС, полузаказ­ные БИС, заказные БИС, СБИС и УБИС.

Любой тип РЭА может быть создан на перечисленных ИС. Очевидно, что на стандартных ИС, выпускаемых массовыми сери­ями, РЭА будет наиболее дешевой, а на СБИС и УБИС – будет об­ладать лучшими технологическими характеристиками. Конечно, реально в сложной РЭА используют почти все перечисленные ИС, что вызвано стремлением решить компромиссно вопросы стоимо­сти, надежности, быстродействия, массы, радиационной стойко­сти РЭА и др.

Наибольшим разнообразием конструктивно-технологических решений обладают полузаказные БИС.

Полузаказные (матричные) БИС в соответствии с внутренней структурой делятся на четыре типа: нескоммутированные логичес­кие матрицы (НЛМ), матрицы стандартных ячеек (МСЯ), програм­мируемые логические матрицы (ПЛМ) и аналоговые матрицы (AM). Существуют матричные БИС и других типов. Например, широко из­вестны цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) пре­образователи в интегральном исполнении. В этом случае на одном кристалле расположены цифровые и аналоговые матрицы.

Нескоммутированная логическая матрица представляет собой регулярную структуру из отдельных логических элементов или дру­гих компонентов, не соединенных между собой. Технологически процесс изготовления таких НЛМ заканчивается перед последней операцией – выполнением соединений.

НЛМ можно разделить на две группы – со средним и высоким бы­стродействием. Первая предназначена для бытовых систем и сис­тем общего назначения. Их изготовляют по технологии КМДП, И2Л, МДП и ТТЛШ. Вторая предназначена для вычислительных систем и военной техники. В основе второй группы лежит схема эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).

Значительный прогресс в развитии матричных БИС (МаБИС) был достигнут с введением универсальной логической ячейки, содержащей минимальное число транзисторов, с помощью кото­рой можно реализовать все элементы комбинационной логики при заданном числе входов. Конечно, ее площадь превышает площадь ячеек рассмотренных ранее структур, что ограничивает степень интеграции.

Аналоговые матрицы строятся на основе биполярных и полевых транзисторов. Типовые матрицы содержат от 100 до 200 биполярных транзисторов и резисторов. В качестве стандартных элементов ис­пользуются операционные усилители, генераторы и компораторы.

Выбор конкретного типа базового матричного кристалла (БМК) определяется требованиями совместимости реализуемого уст­ройства с остальными частями микроэлектронной системы, а так­же такими характеристиками, как быстродействие, энергопотреб­ление, степень интеграции. Эти характеристики зависят от техно­логии изготовления БМК. Так, ЭСЛ-матрицы отличаются наивыс­шим быстродействием, но при этом потребляют наибольшую мощность. БМК, изготовленные по И2Л-технологии, наоборот, по­зволяют уменьшить энергопотребление, но обладают низким бы­стродействием. Промежуточное положение занимает БМК, вы­полненные с использованием ТТЛ-, ТТЛШ-, ШТЛ-технологий. Осо­бое место принадлежит КМДП БМК, сочетающим наибольшую степень интеграции и низкий уровень потребления энергии. Кро­ме того, благодаря уменьшению линейных размеров полупровод­никовых структур (длина затвора современного полевого транзи­стора может быть меньше 1 мкм) БИС на основе КМДП БМК в ряде случаев достигает быстродействия ЭСЛ-схем. Область примене­ния БИС, изготовленных по различным технологиям, в зависимо­сти от числа условных вентилей на кристалле N и времени задер­жки вентиля t приведена на рис. 12.1.

Основа МаБИС – базовый матричный кристалл (БМК) предста­вляет собой прямоугольную пластину определенного размера из монокристаллического полупроводникового материала, на которой размещена матрица нескоммутированных базовых ячеек (БЯ). Ка­ждая ячейка состоит из нескоммутированных транзисторов, дио­дов, резисторов.

В периферийной части БМК располагаются внешние контакт­ные площадки для присоединения к выводам корпуса БИС и бу­ферные ячейки (рис. 12.2). Каждая буферная ячейка 2 связана с одной внешней контактной площадкой 3 и представляет собой диодно-транзисторную структуру, на основе которой реализуютсяэлементы ввода-вывода информации. Ба­зовые ячейки на внутренней части кристал­ла, необходимые для построения логичес­ких элементов БИС, группируются в макроячейки 1. Структура макроячеек может быть различной. Чаще всего это симметри­чные группы из четырех БЯ (рис. 12.3,a) ли­бо линейка (ряды) БЯ (рис. 12.3,б-г). Между базовыми ячейками 1 в линейках могут оставаться промежутки 2 (рис. 12.3,г), используе­мые для прокладки соединений через макроячейку. Такие соедине­ния называются транзитными. Помимо однородных макроячеек во внутренней части некоторых БМК могут размещаться специализированные макроячейки, реали­зующие типовые функциональные узлы (запоминающие устройст­ва, сдвиговые и триггерные регистры, аналоговые блоки и т.п.). Об­щий вид подобного БМК приведен на рис. 12.2.

В матричных БИС электрические соединения осуществляются, как правило, с помощью металлических и поликремниевых шин. Наиболее распространены алюминиевые тонкопленочные шины
^

12.3. Функциональная электроника -перспективное направление в микроэлектронике


На протяжении многих лет наблюдалась устойчивая тенденция экспоненциального роста степени интеграции. Однако за послед­ние годы в связи с рядом рассмотренных ранее проблем произош­ло снижение темпа роста степени интеграции. Анализ современ­ных проблем обработки информации показывает, что, даже выйдя на предельные показатели, схемотехническая электроника не все­гда сможет удовлетворить современным требованиям. Ряд задач, таких как распознавание образов, синтезирование конструкций, уп­равление базой знаний, создание системы искусственного интел­лекта не могут быть успешно решены в рамках существующих мик­роэлектронных систем обработки больших информационных мас­сивов. Надежды возлагаются на применение элементов и прибо­ров функциональной электроники.

В функциональной электронике (ФЭ) работа схемы осуществ­ляется за счет использования различных физических явлений в средах. В схемотехнической электронике носителем информации является электрическое состояние некоторой схемотехнической ячейки, а перемещение информации от одной ячейки к другой осу­ществляется последовательно путем многократных преобразова­ний типа потенциал – заряд – ток – потенциал. В функциональной электронике носителем информации является локальная неодно­родность в некоторой протяженной однородной среде. Эти неоднородности называют динамическими, потому что они могут возни­кать в объеме твердого тела с помощью различных физических яв­лений, могут перемещаться, изменять форму, состояние, взаимо­действовать с другими неоднородностями. Известны различные типы динамических неоднородностей, отличающихся размерами, формой, временем жизни, объемом содержащейся информации и т.п. На их основе можно создать приборы, позволяющие обрабаты­вать информацию в цифровой или аналоговой форме.

Существует ряд направлений функциональной электроники: акустоэлектроника, магнитоэлектроника, криоэлектроника, оптоэлектроника и др.

Функциональная электроника (термин нельзя назвать удачным) возникла на стыке электроники, вычислительной техники, материа­ловедения и других направлений. Современное ее развитие нахо­дится на первом этапе, который имеет следующие особенности.

В существующих устройствах функциональной электроники применяется одна среда, например полупроводник в устройствах ФЭ на приборах с зарядовой связью (ПЗС), пьезоэлектрик в при­борах на поверхностных акустических волнах (ПАВ), галлий-гадолиниевый гранат в устройствах ФЭ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). При этом используются давно известные эффек­ты и явления: в ПЗС – эффект поля (как и в полевых транзисто­рах), в устройствах на ПАВ – прямой и обратный пьезоэлектричес­кий эффект и т.д. Приборы на ПАВ, ПЗС и ЦМД рассматриваются ниже в этой главе.

Особенностью первого этапа развития функциональной элект­роники является также то, что большинство устройств ФЭ рассчи­тано пока для работы с цифровыми устройствами микроэлектрони­ки и поэтому требуется обязательное их сопряжение со схемотех­ническими устройствами, использующими двоичный код.
^

12.4. Элементы функциональной электроники на поверхностных акустических волнах


Приборы для преобразования и обработки сигналов, основан­ные на использовании ПАВ, относятся к устройствам, которые изу­чает акустоэлектроника. Акустоэлектронные устройства использу­ют электрические и высокочастотные акустические сигналы. Акустический сигнал представляет собой волну упругих механических возмущений, распространяющихся в твердом теле со скоростью звука (примерно 105 см/с). Для преобразования электрического сигнала в акустический и обратно используют обратный и прямой пьезоэлектрический эффект. Устройства акустоэлектроники во многих случаях могут быть выполнены методами планарной техно­логии и подобны интегральным схемам. Основные физические принципы акустоэлектронного взаимо­действия следующие.

При изучении физических процессов в акустоэлектронных уст­ройствах рассматривается взаимодействие между ультразвуковы­ми волнами с частотой от 107 до 1013 Гц со свободными электронами в металле или полупроводнике. В твердом теле за счет положитель­ных и отрицательных ионов создаются электрические поля, имею­щие довольно большую напряженность (до 108 В/см). Когда ультра­звуковые волны проходят через твердое тело, они вызывают коле­бания кристаллической решетки. При этом изменяются напряженность внутрикристаллических полей и, следовательно, изменяется влияние этих полей на свободные электроны. Ультразвуковые вол­ны и упругие колебания кристаллической решетки рассматриваются как поток квантов энергии (фононов). В результате электрон-фононного взаимодействия энергия звуковых волн передается свободным электронам. Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием ультразвуковых волн называется акустоэлектрическим эффектом. Особенно этот эффект проявляется в пьезо-полупроводниках (арсениде галлия GaAs, антимониде индия InSb). Если под действием внешнего электрического поля в кристалле соз­дается дрейф электронов в направлении распространения звуковой волны, то при различном соотношении между скоростью дрейфа электронов и скоростью распространения волны можно получить либо ослабление, либо усиление звуковой волны. Если скорость дрейфа меньше скорости волны, то энергия волны поглощается электронами и волна затухает, если скорость дрейфа больше скоро­сти волны, то электроны отдают ей свою энергию, амплитуда волны возрастает, происходит усиление звуковой волны. Аналогичное вза­имодействие происходит в лампах бегущей волны (см. гл. 16).

Акустоэлектрический эффект вызывается действием объем­ных ультразвуковых волн, которые распространяются в твердом теле, либо поверхностных акустических волн (ПАВ), которые рас­пространяются в поверхностном слое пьезокристалла. Толщина этого слоя имеет порядок длины волны (, где – скорость распространения звуковой волны, f – частота).

Основные особенности ПАВ:

  • небольшая скорость распространения (1,6...4 км/с) и, следо­вательно, малая длина волны;

  • распространение в виде направленного луча;

  • возможность взаимодействия с планарными пленочными структурами;

  • возможность преобразования в электрический сигнал и обратно;

  • с помощью отражателей и специальных ответвителей ПАВ можно направить по сложной траектории, изменить направление распространения волны.

ПАВ могут иметь вертикальную поляризацию, когда смещение частиц происходит в волне пер­пендикулярно границе, или горизонтальную, ког­да смещение частиц происходит параллель­но границе, но всегда перпендикулярно направлению распространения волны.

Акустоэлектрические приборы на ПАВ получили широкое рас­пространение. К ним относятся линии задержки, полосовые фильтры, резонаторы, различные датчики и т.п. В акустоэлектрических приборах на ПАВ происходит преобразование электричес­ких сигналов в акустические и, наоборот, с помощью специальных преобразователей – штыревых металлических электродов, рас­положенных на звукопроводе. Принцип устройства простейшего акустоэлектрического прибора на ПАВ показан на рис. 12.4. Вход­ной штыревой преобразователь 2 служит для преобразования электрического сигнала, подводимого от генератора е, в акустиче­ский сигнал (обратный пьезоэлектрический эффект). Этот эффект заключается в механической деформации пьезокристалла (звукопровода) под действием внешнего электрического поля. В случае синусоидального электрического сигнала в звукопроводе возни­кает и распространяется ПАВ. Выходной преобразователь 3 слу­жит для преобразования акустического сигнала в электрический (прямой пьезоэлектрический эффект): при периодической дефор­мации кристалла появляются разделенные заряды противополо­жных знаков, что вызывает появление переменного электрическо­го поля между электродами. К выходному преобразователю под­ключена нагрузка . Обычно преобразователи выполняют в виде двух гребенчатых, «вложенных» друг в друга электродов (встреч­но-штыревые преобразователи) из тонкой металлической пленки толщиной 0,1...0,5 мкм. Звукопровод 1 представляет собой пла­стину или стержень из пьезоматериала, на котором располагают­ся преобразователи.

ПАВ могут генерироваться, направляться и регистрироваться с помощью тонкопленочных структур, которые создаются на по­верхности пьезокристаллической подложки, что позволяет ис­пользовать технологические методы микроэлектроники. Следует отметить, что наибольшую интенсивность возбуждения ПАВ мож­но получить при выполнении условия акустического синхронизма (когда длина волны сигнала соответствует пространственному периоду решетки преобразователя). Изменяя число электродов, их пространственный период, длину, ширину и т.д., можно полу­чить различные амплитудно-частотные характеристики встречно-штыревого преобразователя. Простота реализации разнооб­разных частотных характеристик встречно-штыревого преобразо­вателя и предопределяет широкое его применение при получении фильтров на ПАВ.
^

12.5. Элементы функциональной электроники на цилиндрических магнитных доменах


Запоминание и обработку информации можно осуществить так­же с помощью магнитных интегральных схем. Для их создания при­меняют магнитные пленки толщиной несколько микрометров, кото­рые наносятся на подложку. В качестве носителей информации ис­пользуются цилиндрические магнитные домены (ЦМД). Известно, что магнитные пленки имеют доменную структуру, т.е. состоят из отдельных микроскопических областей – доменов, обладающих произвольным направлением вектора намагниченности. В преде­лах одного домена все атомы намагничены в одном направлении. При отсутствии внешнего магнитного поля домены имеют форму полос с противоположными направлениями вектора намагничен­ности (рис. 12.5,а). В соседних полосах магнитные домены в пленке занимают все поперечное сечение пленки, а их векторы намагни­ченности перпендикулярны поверхности. Домены имеют различ­ные форму и размеры. Изменение конфигурации доменной струк­туры происходит вдоль поверхности пленки. Суммарные площади противоположно намагниченных доменов равны, поэтому происхо­дит компенсация их магнитных полей.

Если на магнитную пленку действует внешнее постоянное маг­нитное поле Н, перпендикулярное поверхности пленки, то конфигу­рация и размеры магнитных доменов изменяются. Полосовые до­мены, у которых вектор их намагниченности совпадает с направле­нием внешнего поля, расширяются за счет сужения доменов с про­тивоположным намагничиванием. Дальнейшее увеличение внеш­него поля приводит к разрыву полосовых доменов и образованию доменов цилиндрической формы (ЦМД, рис. 12.5,б). Установлено, что домен становится цилиндрическим при некотором поле . При этом с ростом Н диаметр домена уменьшается. При дальней­шем увеличении магнитного поля, когда оно становится больше оп­ределенного значения , домены исчезают. Таким образом, цилиндрические магнитные домены существуют при по­стоянном магнитном поле с напряженностью от до . Диаметр ЦМД составляет 1 ...5 мкм в зависи­мости от материала и толщины пленки.

ЦМД можно создать с помощью генератора доменов, который представляет собой проволочную петлю с током. Такая петля из тонкой металлической пленки наносится на поверхность магнитной пленки. Через петлю пропускается импульс тока, который создает магнитное поле Нпет с направлением, противоположным вектору внешней магнитной индукции. При этом в магнитной пленке под петлей образуется цилиндрический магнитный домен – ЦМД (рис. 12.6,а). В запоминающих устройствах наличие ЦМД в определен­ном месте пленки соответствует хранению лог. 1, а ее отсутствие – хранению лог. 0. Домен – устойчивое образование и для записи двоичной информации ЦМД должен занимать фиксированное по­ложение и иметь возможность перемещаться по предложенной траектории к «адресату». Если домен сможет удаляться от генера­тора доменов (петли), то при поступлении новых импульсов тока, соответствующих введению лог. 1, под петлей будут создаваться новые домены.

Чтобы зафиксировать домен в определенном месте пленки, при­меняют магнитостатические ловушки. В качестве такой ловушки мо­жно использовать виток стоком (рис. 12.6,б), как в генераторе доме­нов. Но наиболее широкое применение нашли ловушки с пермаллоевыми пленками (аппликации). На поверхность магнитной пленки наносятся пленочные аппликации определенной формы из специ­ального ферромагнитного материала – пермаллоя. В области под магнитной аппликацией из-за ее экранирующего действия происходит ослабление внешнего магнитного поля. При попадании ЦМД в такую ловушку уменьшается его полная энергия, т.е. ЦМД оказыва­ется в потенциальной яме.

Систему пермаллоевых аппликаций можно использовать для пе­ремещения ЦМД в определенную точку (адрес). Для этого применя­ется управляющее магнитное поле Нупр, вращающееся в плоскости аппликаций. Вращающееся поле создается двумя взаимно перпен­дикулярными катушками, токи в которых сдвинуты по фазе на 90°. На рис. 12.7 показана система из четырех аппликаций, направление Нупр в моменты времени че­рез четверть периода, по­ложения магнитных полю­сов N и S на аппликациях, создаваемых полем Нупр, и положения ЦМД в эти мо­менты времени.

В исходный момент t = 0 поле Нупр направлено про­тив оси у (рис. 12.7,а). Предполагается, что торец ЦМД, касающийся аппликации, является южным полюсом S. Поэтому он будет испы­тывать притяжение к север­ному полюсу аппликации; ЦМД окажется расположен­ным на аппликации 1 сим­метрично оси х.

Через четверть перио­да (t = T/4) Нупр направлено вдоль оси х (рис. 12.7,б). Новое расположение соз­данных этим полем полю­сов вызовет смещение ЦМД по оси х вправе. В мо­мент t = Т/2 ЦМД перейдет под полюс N близко распо­ложенной аппликации 2 (рис. 12.7,в), а в момент t = 3/4Т (рис. 12.7,г) он ока­жется под полюсом N апп­ликации 3. Еще через четверть периода (t= Т) ЦМД сместится впра­во по оси х, оставаясь под аппликацией 3 (рис. 12.7,д). Это положе­ние аналогично исходному. Таким образом, через период Т завер­шается один цикл перемещения ЦМД.

При заранее изготовленной геометрии системы этих апплика­ций можно переместить домен в заданную точку. Аппликации, расположенные близко друг к другу, образуют регистр. Сдвиг ин­формации в регистре происходит при перемещении доменов от края одной аппликации к краю другой. Скорость перемещения до­менов может быть равна десяткам и даже сотням метров в секун­ду. Вследствие малого диаметра ЦМД плотность записи инфор­мации может быть 104... 105 бит/мм, а скорость записи составляет 105...106 бит/с. Для считывания информации применяют устрой­ство, основанное на магниторезистивном эффекте, который заключается в изменении сопротивления пленки при изменении магнитного поля. Один из способов считывания следующий: на основную пленку наносят петлю из полупроводника, обладающе­го магниторезистивным эффектом. Через петлю пропускают по­стоянный ток. Если под петлей проходит ЦМД, то магнитное поле в петле изменяется. При этом изменяются сопротивление петли и ток в ней, что соответствует лог. 1.

На ЦМД создаются СБИС ПЗУ. Они обладают высокой надеж­ностью и быстродействием. Устройство памяти на ЦМД является законченным устройством функциональной электроники, широко используется в схемотехнических системах и выдает информацию в двоичном коде. Запоминающие устройства на ЦМД по своим па­раметрам превосходят аналогичные устройства на магнитных дис­ках. Однако увеличению плотности записи при использовании ЦМД препятствует магнитостатическое взаимодействие между ЦМД. Для его устранения необходимо сохранять определенное расстоя­ние между ЦМД в соседних элементах памяти. При этом площадь элемента памяти получается достаточно большой, и дальнейшее повышение информационной емкости для СБИС на ЦМД становит­ся невозможным.
^

12.6. Устройство и принцип действия прибора с зарядовой связью


Прибор с зарядовой связью (ПЗС, рис. 12.8) представляет со­бой совокупность взаимодействующих МДП-структур, используе­мых в полевых транзисторах с изолированным затвором. Взаимо­действие соседних структур обеспечивается из-за наличия общего однородного полупроводникового слоя и малого расстояния между затворами МДП-структур. Затворы (металлические электроды М) изолируются тонким слоем диэлектрика Д от поверхности полупро­водника П, в качестве которого используется р- или n-кремний. Ши­рина каждого электрода 10...15 мкм, промежуток между ними 2...4 мкм. Толщина слоя диэлектрика 0,1 мкм. Каждую МДП-структуру в ПЗС можно рассматривать как конденсатор, одной из обкладок ко­торого является металлический электрод (затвор), а другой – полупроводниковая подложка.

Физические процессы в одной МДП-структуре были рассмотре­ны в § 7.4.2. При определенном значении положительного напряже­ния на затворе, называемом пороговым Uпор, концентрация электро­нов в поверхностном слое станет равной концентрации дырок (как и в собственном полупроводнике), а при U > Uпор у поверхности про­изойдет образование «инверсионного» слоя n-типа, отделенного от подложки р-n-переходом. Непосредственно под электродом образу­ется «потенциальная яма», в которой могут храниться электроны. «Глубина» этой потенциальной ямы зависит от значения приложен­ного напряжения, степени легирования полупроводника и толщины слоя диэлектрика. При подаче напряжения на соседний электрод (затвор) под ним также появляется потенциальная яма. Если рас­стояние между соседними электродами велико, так что их поля не взаимодействуют, то в каждой потенциальной яме может независи­мо храниться свой заряд (пакет) электронов. При малых же рассто­яниях между электродами их электрические поля будут взаимодей­ствовать. Если положительное напряжение U2 на затворе 2 окажет­ся больше напряжения U1 на затворе 1, то возникающее ускоряю­щее поле Е заставит электроны дрейфовать в область с более высо­ким потенциалом: из «мелкой» потенциальной ямы под первым за­твором в более «глубокую» под вторым затвором.

Так можно обеспечить перенос заряда электронов из одной потенциальной ямы в другую. Время существования потенциаль­ной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации пар носителей. Дырки под действием электрического поля в переходе инверсионный слой – подложка уходят в толщу р-полупроводника, а электроны накапливаются, заполняя потенциальную яму и создавая «фон». Процесс этот паразитный и неконтролируемый. Время, необходимое для заполнения потенциальной ямы вслед­ствие термогенерации, называется временем релаксации. Следо­вательно, хранение в потенциальных ямах зарядовых пакетов, несущих информацию о значении полезного сигнала, возможно в промежуток времени, существенно меньший по сравнению с вре­менем релаксации.

МДП-конденсатор может служить элементом, запоминающим на некоторое время информацию, соответствующую заряду в по­тенциальной яме.

Основные режимы работы ПЗС – хранение информации в виде заряда в одном или нескольких конденсаторах и перенос заряда из одного конденсатора в следующий вдоль цепочки. В цифровых уст­ройствах наличие заряда означает лог. 1, а отсутствие заряда – лог. 0. В аналоговых устройствах количество заряда будет повторять за­кон изменения сигнала. Таким образом, электрический сигнал в ПЗС представлен не током или напряжением, как в интегральных схемах на транзисторах, а зарядовым пакетом.

Для неоднократного переноса заряда в нужном направлении каждый электрод (затвор) подключен к одной из тактовых шин (фаз) Ф1, Ф2, Ф3. Трехфазный ПЗС изображен на рис. 12.8. Один элемент ПЗС состоит из трех ячеек МДП-конденсаторов. К этим шинам подается необходимая последовательность тактовых им­пульсов с разной амплитудой (рис. 12.9), которая переносит заря­довый пакет вдоль поверхности. В течение интервала времени ti на электроды фазы Ф1 подают положительное напряжение . Под этими электродами создаются глубокие потенциальные ямы для электронов. Будем считать, что слева от первого электрода на­ходится элемент ввода заряда информации. Этот заряд переходит под электрод 1 в более глубокую потенциальную яму. Режим, при котором электроны «перетекают» из одних потенциальных ям в другие, более глубокие, называют режимом записи. Таким образом, интервал соответствует режиму записи в электроде 1 (). В интервале времени напряжение на электроде 1 U" < , поэтому зарядовый пакет не может переходить под электрод 2, напряжение которого UФ2 = U' < U". Наступает режим хранения «записанного» в интервале зарядового пакета (). В интервале времени UФ1 = U", a UФ2 = , UФ3 = U'.

Так как теперь UФ2 > UФ1, то зарядовый пакет переходит в бо­лее глубокую потенциальную яму электрода 2 (режим записи для электрода 2): . В интервале времени UФ1 = U, UФ2= U", a UФ3 = U', так что наступает режим хранения для электрода 2. Ана­логично в интервале будет режим записи, а в интервале – ре­жим хранения для электрода 3. Таким образом, за шесть интервалов произойдет перенос зарядового пакета из-под электрода 1 под электрод 3. Далее при наличии тактовых импульсов процесс будет повторяться и зарядовый пакет будет последовательно переме­щаться по «линейке» электродов (регистру).

Рассмотренная ступенчатая форма управляющих импульсов напряжения для трехфазного ПЗС (см. рис. 12.9) является идеаль­ной. Однако их формирование требует сложных генераторов. Поэ­тому для управления используются перекрывающиеся импульсы трапецеидальной формы с плавным фронтом и срезом. При этом передача (перенос) зарядового пакета происходит на срезе им­пульса, длительность которого должна в 2...3 раза превышать вре­мя хранения. Тогда «последние» носители зарядового пакета успе­вают перейти в соседнюю потенциальную яму, что повышает эф­фективность переноса заряда в ПЗС.

Устройство ввода и вывода зарядовых пакетов – это обязатель­ные структурные элементы ПЗС, которые позволяют преобразовать входной сигнал (уровни напряжения) в сигнальные зарядовые паке­ты, а на выходе осуществляют обратное преобразование. Один из способов ввода и вывода неравновесного заряда – использование р-n+-переходов. Рассмотрим устройство ввода электрического сиг­нала (см. рис. 12.8). Область типа п+ образует с р-подложкой n+-р-переход (входной диод). Область n+ имеет омический контакт Двх , Фвх – входной затвор. Для ввода сигнала на Двх подается напря­жение отрицательной полярности, включающее входной диод в пря­мом направлении, а к Фвх прикладывается управляющее положи­тельное напряжение сигнала. Электроны инжектируются на n+-области под входной затвор, а затем переносятся под первый затвор 1. Величина зарядового пакета увеличивается с ростом амплитуды входного сигнала в соответствии с ВАХ р-n-перехода по экспоненциальному закону и зависит также от продолжительности инжекции, определяемой длительностью управляющих импульсов. Достоинст­во этого способа ввода сигнала – высокое быстродействие, так как время инжекции составляет несколько наносекунд.

Для вывода зарядового пакета на выходе (см. рис. 12.8) имеет­ся область п+, омический контактных к этой области и управляю­щий выходной затвор Фвых. Область п+ образует с подложкой вы­ходной диод, который включают в обратном направлении. Для это­го на выходной контакт Двых через резистор подают постоянное по­ложительное напряжение, превышающее максимальное напряже­ние на Фвых. К выходному выводу для регистрации сигнала подключают чувствительный усилитель на МДП-транзисторах, который создается на той же подложке.

Параметры ПЗС. К основным параметрам ПЗС относятся: рабо­чая амплитуда управляющих напряжений; максимальная величина зарядового пакета; предельные (максимальная и минимальная) так­товые частоты; эффективность переноса зарядового пакета; рассе­иваемая мощность.

Рабочая амплитуда управляющих напряжений должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить необходимую величину зарядового пакета и взаимодействие потенциальных ям соседних элементов. Чем меньше расстояние между затворами и больше емкость диэлектрика, тем ниже требуемая амплитуда управляю­щих напряжений, типовые значения которых 10...20 В. Макси­мальная величина зарядового пакета пропорциональна амплиту­де управляющего напряжения и площади затвора. Минимальная тактовая частота fТ min обратно пропорциональна максимально до­пустимому времени хранения зарядового пакета в одном элемен­те. Хранение заряда в ПЗС ограничено термогенерацией пар но­сителей, которая создает паразитный заряд в потенциальных ямах. Если на затворы ПЗС подается периодическая последова­тельность тактовых импульсов с частотой fТ, то на выходе канала переноса в каждом такте имеется паразитный заряд. В зависимо­сти от температуры и свойств материала заметное накопление паразитного заряда происходит за время от сотых долей до еди­ниц секунд. Для нормальной работы паразитный заряд должен со­ставлять незначительную (заданную) часть максимального заря­дового пакета. Чем выше тактовая частота, тем меньше доля па­разитного сигнала в пакете.

Для увеличения допустимого времени хранения зарядового па­кета и соответственно уменьшения fТ min снижают концентрацию центров генерации – рекомбинации (ловушек), температуру и др. Типовые значения fТ min = 30...300 Гц. Максимальная тактовая часто­ты fТ max определяется временем перетекания заряда из одной по­тенциальной ямы в другую и связана с понятием эффективности пе­реноса. При высокой тактовой частоте, когда время, отведенное на перенос, невелико, часть носителей заряда не успевает в процессе переноса перейти от одного электрода к другому. Время переноса определяется путем рассмотрения процессов диффузии и дрейфа, вызванного продольным электрическим полем. Отношение количе­ства заряда, перенесенного под другой электрод Qпер, ко всему за­ряду, первоначально хранившемуся под предыдущим электродом Qхр, называется эффективностью переноса = Qпер/ Qхр. Так как требования к эффективности переноса очень высоки, то остающая­ся часть заряда должна быть очень малой (например, при каждом переносе 10-3..10-4). Эффективность переноса может быть достиг­нута более 99,99 % для тактовых частот в несколько десятков мега­герц. По мере роста тактовой частоты для увеличения эффективно­сти переноса требуется увеличивать поле, а это достигается умень­шением ширины электродов.

Следует отметить, что эффективность переноса снижается из-за влияния захвата сигнальных носителей на поверхностных состояниях (ловушках), которые происходят за очень малое вре­мя. Чтобы ослабить влияние поверхности, потенциальные ямы создаются в объеме полупроводника под поверхностью кристал­ла на глубине около 1 мкм. Потери уменьшаются вследствие того, что поверхностные ловушки в этом случае не могут захватить носители заряда. В случае объемных каналов тактовые частоты мо­гут достигать 100 МГц. Кроме того, снижение потерь может быть постигнуто уменьшением ширины электродов, так как это приве­дет к сокращению времени переноса заряда из одной потенциаль­ной ямы в другую. При заданном допустимом уменьшении зарядо­вого пакета эффективность переноса заряда определяет макси­мальное число элементов, через которые может быть передан за­рядовый пакет.

Рассеиваемая мощность элементов ПЗС очень мала (менее 1 мкВт), что является одним из достоинств ПЗС. В стадии хранения через прибор текут очень малые токи термогенерации и мощность практически не потребляется. В режиме переноса зарядового паке­та идет затрата энергии, необходимой для совершения работы, равной произведению полного заряда пакета на разность потенци­алов между электродами (ячейками). Наибольшая мощность по­требляется при максимальной частоте. Следует отметить, что пра­ктически мощность, потребляемая ПЗС, приходится в основном на внешнее формирование тактирующих импульсов.

Так как значение эффективности переноса обычно очень близ­ко к 1, то удобнее пользоваться коэффициентом потерь (неэффек­тивность переноса) n = 1 – . Для сложных ПЗС с большим числом переносов п = 10 -3...10 -5.

^ Применение приборов с зарядовой связью. ПЗС состоит из множества технологически объединенных МДП-структур, располо­женных на малом расстоянии друг от друга. Количество МДП-стру­ктур может достигать нескольких тысяч, и поэтому ПЗС может рас­сматриваться как большая интегральная схема (БИС).

Важнейшая функция ПЗС задержка входного импульса на то­чно заданное время. С помощью ПЗС осуществляется длительное хранение информации, что используется в запоминающих устрой­ствах (ЗУ). Для этого можно прервать последовательность управ­ляющих (тактовых) импульсов после того, как пакеты инжектиро­ванных носителей расположились в соответствующих ячейках МДП. В период считывания снова подают тактовые импульсы, и за­писанная информация последовательно поступает на вход. ЗУ на ПЗС используются в цифровой технике и обладают большой емко­стью (8...16 кбит). Непрерывное циркулирование информации осу­ществляется в ЗУ на ПЗС с регенерацией. При обращении к запо­минающему устройству производится выборка записанной инфор­мации с регенерацией или без нее (т.е. с неразрушающим считыва­нием или с разрушением записанной информации). ПЗС находят широкое применение в телевидении, где они используются как фо­тоэлектрические преобразователи изображения.

Зарядовый пакет носителей можно создавать не только с помо­щью инжекции, как описано ранее, но и с помощью локального осве­щения поверхности. При этом под соответствующим затвором образуется заряд, пропорциональный освещенности. Если освещен­ность на разных участках различна, то совокупность зарядов под за­творами характеризует изображение, спроецированное на ПЗС. По­давая управляющее трехтактное напряжение, получаем на выходе ПЗС последовательность импульсов, амплитуды которых пропорци­ональны освещенности разных участков. Использование таких фор­мирователей сигналов изображения позволяет создавать миниа­тюрные передающие полупроводниковые телевизионные камеры с малым потреблением энергии и достигающие обычного телевизион­ного стандарта по разрешающей способности, в том числе и для цветного телевидения. Присущее ПЗС перемещение зарядовых па­кетов позволяет избавиться от громоздких и ненадежных передаю­щих электронно-лучевых трубок со сканированием электронным лу­чом. ПЗС является уникальным аналогом электронно-лучевых тру­бок, позволяющим одновременно с уменьшением массы, габарит­ных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и ка­чество формирования видеосигналов. Дополнительное достоинст­во состоит в возможности использования разнообразных полупро­водниковых материалов, что позволяет перекрыть широкую область электромагнитного спектра, включая инфракрасную область.

В настоящее время созданы приборы более совершенные по сравнению с ПЗС, имеющими трехтактное питание затворов. К ним относятся ПЗС со скрытым каналом и двухфазным управлением, а также ПЗС на МНОП-структурах и структурах с плавающим затво­ром. В этих типах приборов удается упростить технологию изготов­ления, сократить расстояние между затворами, устранить пересе­чение линий металлизации для соединения затворов и т.п. Время хранения записанной информации в этих структурах доходит до нескольких десятков тысяч часов.

Таким образом, ПЗС являются весьма универсальными структу­рами. На ПЗС разработаны интегральные ЗУ с большой емкостью памяти, управляемые линии задержки, согласованные и полосовые фильтры, позволяющие обрабатывать сигналы длительностью в сотни миллисекунд, твердотельные преобразователи телевизион­ного оптического сигнала в электрический, а также цифровые уст­ройства на их основе. ПЗС характеризуются конструктивной и техно­логической простотой, малыми размерами, высокой надежностью, высокой чувствительностью, возможностью работы в спектрах ви­димых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Этим объясняет­ся их широкое применение в телевидении, радиолокации, системах связи. В настоящее время сформирована также микросхемотехника ПЗС, которая включает в себя принцип построения схем на ПЗС для суммирования, вычитания, умножения, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей сигналов. На базе этих схем могут быть построены устройства сложной обработки сигналов, представленных в зарядовой форме.


Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru