Электростатика

4.2.3. Запоминающие устройства на ПЗС-структурах 
Запоминающие устройства на принципах зарядовой 
связи
легко реализуются с помощью ячеек аналоговой памяти. 
По существу эти ячейки являются конденсаторными МОП-
структурами, в которых хранится зарядовый пакет или отсутст-
вует вовсе. В первом случае говорят о хранении логической 
единицы, в другом - логического нуля. Объединенные в линей-
ки такие ячейки образуют регистры сдвига. 

---

147 
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) состоит из 
накопителя с однократной записанной информацией и системы 
вывода информации на регистрах с зарядовой связью. Один из 
вариантов ПЗУ на ПЗС для хранения аналоговых сигналов со-
держит регистр сдвига, связанный с МОП-конденсаторами, 
размеры которых соответствуют записанной информации. На 
рис. 4.19, 
а
изображен отдельный элемент такого устройства, 
где трехтактный регистр
P
1 - 
Р
3 непостоянно связан с конденса-
торами постоянной памяти 
К
1 – 
К
3
.
В режиме считывания на 
выбранный конденсатор подается напряжение и под его элек-
тродом накапливается заряд, пропорциональный площади по-
следнего. Затем напряжение подается на выбранный электрод, и 
заряд передается в регистр. Это выполняется одновременно во 
всех элементах, так что регистр принимает параллельный код, 
который затем поступает к выходному усилителю. 
Элементы хранения отделены от регистра, подобно фото-
чувствительным элементам в фотоприемниках со строчной раз-
верткой. Однако они могут быть совмещены с электродами пе-
реноса, как показано на рис. 4.19, 
б
. При этом информация 
представлена величиной заряда, встроенного в электродный ди-
электрик. Наличие такого заряда приводит к модуляции по-
верхностного потенциала вдоль канала ПЗС, что позволяет счи-
тывать записанный заряд. 
Рис. 4.19. ПЗУ на ПЗС: а – элемент памяти вне регистра;
б – элементы памяти,совмещенные с электродами переноса 

---

148 
Операция считывания протекает в две стадии: вначале 
производится передача информации из постоянного накопителя 
в регистры ПЗС, затем - перенос зарядовых пакетов к выходу 
устройства. Первая стадия зависит от способа представления 
информации в накопителе, который при соответствующих 
управляющих сигналах определяет процесс генерации зарядо-
вых пакетов, степень заполнения ими потенциальных ям или 
распределение зарядов между соседними элементами. 
Информация записывается в диэлектрике, что обуславли-
вает различное пороговое напряжение на электродах и одно-
временно различную управляющую способность. При подаче 
напряжения на электроды выбранной фазы под ними образуют-
ся потенциальные ямы различной глубины. Заполнение их за-
рядом, за счет естественной термогенерации, создает зарядовый 
рельеф, отображающий ранее записанную информацию. Для 
ускорения заполнения ям «опрашивающие» заряды подводят с 
помощью самого ПЗС. Репрограммируемое постоянное запоми-
нающее устройство (РПЗУ) на ПЗС позволяет перезаписывать 
информацию в процессе работы в соответствии с введенным в 
него массивом зарядовых пакетов. Из некоторых способов хра-
нения информации перепрограммирование допускает лишь за-
ряд, встроенный в диэлектрик, но сам диэлектрик должен быть 
усложнен: диэлектрик с захватом заряда и диэлектрик со встро-
енным плавающим затвором. 
Запоминающее устройство с произвольной выборкой по 
считыванию (ЗУПВ) на ПЗС позволяет считывать информацию 
из произвольной ячейки матрицы. В их основе лежит матрица 
ПЗС с дополнительной системой электродов, обеспечивающих 
произвольную выборку. Как известно, произвольная выборка 
возможна и в приборах с инжекцией заряда, но зарядовое счи-
тывание в матрицах большого объема дает очень слабые вы-
ходные сигналы, налагает чрезмерно жесткие требования на ее 
элементы, в особенности на усилители считывания. Более пер-
спективным представляется использование токового считыва-

---

149 
ния. В этом случае заряд, хранимый элементом, модулирует 
протекающий в нем ток. Допустимы различные способы токо-
вого считывания при ориентации канала транзистора в различ-
ных направлениях по отношению к каналу ПЗС (рис. 4.20): в 
горизонтальном (
а, б
) и в вертикальном(
в, г
)
.
Рис. 4.20. Комбинация элемента ПЗС с транзистором: 
горизонтальный канал 
транзистора поперек (
а
)
и вдоль канала ПЗС (
б
); вертикальный канал транзистора
со стоком в отверстии электрода ПЗС (
в
)
и в виде изолирующей диффузионной области (
г
) 
Области стока и истока канального транзистора могут 
быть включены в конструкцию дополнительно, но можно ис-
пользовать и структуры, входящие в ПЗС-подложку, например, 
области изолирующей стоп-диффузии. При горизонтальном ка-
нале на подложке необходимо наличие слоя противоположного 
типа проводимости. 
Для вертикального канала размеры стока должны быть 
меньше глубины области пространственного заряда. 
Итак, ЗУ строятся на основе регистров сдвига, позволяю-
щих реализовать в ячейках два устойчивых состояния «1» или 
«0» и перемещать информацию по регистру. По методу поиска 

---

150 
адреса ячейки памяти ЗУ делятся на устройства с произвольным 
и последовательным доступом информации. ЗУ с произволь-
ным доступом позволяют использовать в любой момент време-
ни любую ячейку и имеют число выходов блока выборки, рав-
ное числу адресов блока запоминании. ЗУ на основе регистров 
сдвига на ПЗС относятся к устройствам с последовательным 
доступом к информации. 
Для увеличения времени хранения информации зарядовые 
пакеты непрерывно циркулируют по ПЗС-структуре путем пе-
редачи их с выхода на вход через устройство регенерации, по-
зволяющее компенсировать утечку и рассасывание зарядов. 
Конструктивно ЗУ организовываются по различным схе-
мам (рис. 4.21). Регистры сдвига могут быть объединены в виде 
серпантинно-петлевой структуры (рис. 4.21, 
а
) с элементами 
регенерации 
R
. Перспективными также являются структуры ЗУ 
с произвольной выборкой (рис. 4.21, 
б
) и со строчной адресаци-
ей (рис. 4.21, 
в
). Структуры с последовательно - параллельно - 
последовательной адресацией (ППП) образуют регистр, со-
стоящий из матрицы параллельно включенных регистров сдви-
га с последовательным переносом двух регистров - входного и 
выходного. Информация последовательно заносится в верхний 
регистр, затем переносится параллельно в матрицу и в ней по-
строчно сдвигается. Достигнув выходного регистра, информа-
ция заносится в него, а затем последовательно сдвигается
 к
вы-
ходному устройству. Структура типа ППП должна содержать 
элементы регенерации 
R
, восстанавливающие уровень зарядо-
вых пакетов. 
ЗУ на ПЗС большой емкости строятся по блочной струк-
туре или с блочной выборкой.
Основной областью применения ЗУ на ПЗС является бу-
ферная память. Так замена буферной памяти на магнитных дис-
ках в ЭВМ позволит резко сократить габариты, потребляемую 
мощность, другие технические характеристики. 

---

151 
Плотность записи информации в ЗУ ка ПЗС может дости-
гать 10
5
бит/см
2
при скорости записи и считывания 5 Мбит/с. К 
недостаткам ЗУ на ПЗС следует отнести ограниченное время 
хранения информации в ЗУ, а также энергозависимость схем. 
Рис. 4.21. Структурные схемы ЗУ на ПЗС: 
а - серпантинно-петлеобразная;
б
- с произвольной выборкой блоков,
в
- со строчной адресацией;
г
- последовательно - параллельно - последовательная