Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Uхр. =-U2 находятся электроды 1, 4, 7, а все остальные -- под напряжением - U1 (U1U2) и заряды перетекают от ПЗС1 (строго говоря, в данном случае следует использовать термин «ПЗС-элемент» или «МДП-структура», так как речь идет об одном элементе прибора с зарядовой связью. Однако для сокращения здесь и в дальнейшем (если из контекста ясно, что речь идет об элементе) используется термин «ПЗС», а слово «элемент» опускается.) к ПЗС2 и от ПЗС7 к ПЗС8 (рис.2,б).

Рис. 3. Зонная диаграмма для ПЗС-элемента в режиме хранения информации: а - в первый момент после включения; б - в стационарном состоянии; 1 - металл; 2 - диэлектрик; 3 - обедненная область; 4 - нейтрал ь ная область полупроводника.

На следующем такте на электродах устанавливаются напряжения в соответствии с рис.2,в и начинается фаза хранения зарядовой информации в элементах 2, 5, 8.

Таким образом, для ПЗС характерны два режима работы: хранение и передача зарядовых пакетов. В режиме хранения ПЗС эквивалентен МДП-емкости. Зонная диаграмма поверхности полупроводника для режима хранения приведена на рис.3,а. Величина поверхностного потенциала, характеризующая изгиб зон и глубину потенциальной ямы, в начальный момент максимальна. При инжекции пакета дырок их положительный заряд экранирует подложку от поля, в результате чего происходит перераспределение внешнего напряжения: увеличивается часть напряжения, падающего на слое диэлектрика, поверхностный потенциал уменьшается (по абсолютной величине), и обедненная область сужается. С течением времени потенциальная яма заполняется до насыщения термогенерируемыми дырками и у поверхности образуется стационарный инверсный слой (рис.3,б). Величина поверхностного потенциала уменьшается (по абсолютной величине) до потенциала инверсии поверхности полупроводника ц0

В нестационарном состоянии поверхностный потенциал ц зависит от напряжения на затворе U3, плотности (на единицу поверхности) заряда дырок Qp и от электрофизических характеристик диэлектрической пленки и подложки:

(1)

где U"3 = U3 - UП3 = U3 - Uo - ц0 + UВ - напряжение плоских зон; - коэффициент подложки; UB = BOC ; Сд = еде0хд - удельная емкость диэлектрика затвора толщиной хд. В (1) и последующих выражениях используются абсолютные значения потенциалов и зарядов, что делает их применимыми для р- и n-канальных ПЗС.

Зависимости ц(QP) для разные значений напряжений затвора приведены на рис.4.

При увеличении заряда дырок Qp от нуля до стационарного значения поверхностный потенциал уменьшается по абсолютной величине до потенциала инверсии ц0. Из графиков рис.4 видно, что зависимости ц(QP) практически линейны. Аппроксимированное выражение для ц имеет вид:

ц=(U"3-QP/Cд)(1+x), (2)

где х=0,1--0,2 -- линеаризованный коэффициент подложки.

Максимальный заряд QPM, который может быть помещен в потенциальную яму при заданном напряжении U3, определяется из (1) при условии насыщения потенциальной ямы, т. е. при ц=ц0,

Рис.4. Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного в потенциальной яме заряда при разных напр я жениях затвора:

N д =5-10 14 см -3 , U o =3.8 В.

Рис.5. Зависимость Q P У = Q P + Q P пар от времени хранения для различных значений информационного заряда Q P . Штриховой линией показаны составляющие заряды, накопленные за счет генерации в обедненной области (1) и на поверхности (2); Q p =0 (3); Q p / С д = 3В (4).

QPM = Сд (U3, -- U0) (3)

Обычно QPM= (1--5) 10-3 пКл/мкм2.

Рис. 6. Схема передачи заряда в ПЗС

По мере перетекания зарядов поверхностный потенциал в ПЗС1 увеличивается (по абсолютной величине), а в ПЗС2 уменьшается, в результате чего поле в зазоре уменьшается.

Очевидно, что напряжение записи Uзап должно превышать напряжение хранения Uхр тем значительнее, чем больше расстояние между электродами и чем сильнее легирована кремниевая подложка (рис.7). Из рисунка видно, что практически для работоспособных ПЗС ширина зазора не должна превышать l = 2-3 мкм, a Nд?1015 см-3. Минимальная амплитуда импульса записи Uзап линейно увеличивается при возрастании UXP и QP.

Рассмотрим динамику переноса заряда из одного элемента (ПЗС1) в другой (ПЗС2) (рис.6). В режиме хранения к ПЗС1 приложен потенциал UXP, к ПЗС2 - нулевой потенциал. Заряд дырок плотностью Qp равномерно локализован в ПЗС1. После приложения к ПЗС2 потенциала записи Uзап>Uхр в зазоре между ячейками устанавливается тянущее поле, причем обычно напряженность его столь высока, что дырки, находящиеся вблизи левой границы ПЗС1, практически мгновенно переходят в ПЗС2. Концентрация дырок вблизи правой границы ПЗС2 очень быстро спадает до нуля (т. е. поле зазора действует аналогично полю обратного смещенного коллекторного p-n-перехода в транзисторе). Резкое изменение равномерности распределения дырок в ПЗС1 вызывает их интенсивный дрейф и диффузию внутри потенциальной ямы слева на право. Если положить l<

Рис .7. Зависимость минимальной амплитуды импульса записи от напряжения хранения (а), длины зазора (б) и концентрации примеси в подложке (в).

где L -- длина затворов (электродов) ПЗС;

мрэ--поверхностная эффективная подвижность.

Очевидно, что коэффициент пропорциональности в (4) зависит от того, какой коэффициент эффективности передачи требуется получить. Обычно для многоэлементных ПЗС этот уровень очень высок и составляет

= QРППЗС2/ QРП ПЗС1 = 0,99-0,9999,

где QPП -- полный заряд в одной ячейке.

Рис.8. Зависимость нормализованного заряда Q = 1 - времени передачи для приборов с параметрами: L =6 мкм, м рэ =180 см 2 /В·с; численный расчет; _приближенное аналитическое решение.

По мере перетекания заряда из ПЗС1 в ПЗО2 концентрация дырок в ПЗС1, а следовательно, и дрейфовая составляющая тока уменьшаются и процесс передачи, определяемый только диффузией, замедляется -«хвост» переходного процесса всегда более затянут по сравнению с начальной фазой (рис.8). Чем больше начальная плотность заряда Qp, тем большая его часть «вытечет» за время первой быстрой стадии и тем меньше (при заданном допустимом значении) будет время передачи tпер. Эпюры распределения плотности Заряда дырок в различные моменты времени представлены на рис.9. Через левую границу ПЗС1 потока дырок нет, поэтому на графиках рис.9 в любой момент времени градиент концентрации дырок в этой точке равен нулю.

Рис.9. Эпюры распределения Qp ( y ) в различные моменты процесса передачи

Наглядной аналогией процесса передачи заряда является вытекание вязкой жидкости из прямоугольного сосуда, торцевая стенка которого (соответствующая правой границе потенциальной ямы ПЗС) отодвинута так же, как и в ПЗС, чем больше начальный уровень жидкости, тем быстрее выльется заданная ее часть.

Рис.10. Зависимости коэффициента потерь е 1 от времени передачи для ПЗС с ра з ной длиной электродов.

Для большинства реальных структур ПЗС размеры L и l соизмеримы и очень малы; при этих условиях; становится существенным эффект проникновения краевого поля Еkр (которое мы выше считали полностью сосредоточенным в зазоре) в область ПЗС1, что оказывает определяющее влияние на перетекание оставшейся части зарядового пакета.

Рассмотрим важнейшую характеристику ПЗС -- эффективность передачи заряда, представляющую собой часть заряда дырок, перешедшую из ПЗС1 в ПЗС2 за время передачи. При заданном допустимом уменьшении ^зарядового пакета значение определяет максимальное количество элементов, через которое информация может быть передана без восстановления. Часто оказывается удобнее использовать понятие потери (неэффективности) передачи е =1--. При конечном времени передачи потери заряда обусловлены, во-первых, тем, что за t=tnep часть заряда е1 просто не успевает перетечь в соседнюю ячейку и, во-вторых, захватом части носителей е2 поверхностными ловушками. Составляющая е1 определяет потери передачи на высоких частотах, е2--на низких и средних частотах работы.

Рассмотрим подробнее захват носителей поверхностными ловушками. Если, например, в ПЗС1 поступает информационный пакет, то часть дырок захватывается

границей раздела диэлектрик -- полупроводник. На следующем такте зарядовый пакет перетекает в ПЗС2, равновесие между инверсным слоем и поверхностными ловушками нарушается, и они начинают разряжаться. Те носители, которые освобождаются ловушками за t=tnep, успевают вернуться в зарядовый пакет, остальные образуют потери передачи е2 . Потери е2зависят не только от плотности поверхностных ловушек и величины зарядового пакета, но и от характера предшествующей зарядовой информации, передаваемой через данный элемент. Если передается серия логических 1 (которой соответствуют большие зарядовые пакеты), то потери е2 будут максимальны в первом зарядовом пакете и будут уменьшаться в последующих, так как часть ловушек, захвативших заряды от первого пакета, не успеет разрядиться к приходу следующего и эти ловушки не будут участвовать в захвате носителей. Наихудшим случаем с точки зрения потерь е2 является передача чередующейся последовательности логических 1 и 0. В этом случае выражение для е2 имеет вид:

(5)

где Nл -- плотность поверхностных ловушек; т = 2, 3 ... -- количество управляющих тактов; Сд(U3--U0) -- величина зарядового пакета. В типичных структурах е2=(2--3) 10-3 и в первом приближении не зависит от тактовой частоты.

Влияние поверхностных состояний может быть уменьшено, если в цепочку ПЗС (в каждый зарядовый пакет) ввести некоторый фоновый заряд, заполняющий поверхностные ловушки. В результате потери информационного заряда при передаче уменьшаются. Неполное устранение влияния ловушек объясняется рядом причин, главными из которых являются краевой эффект и захват носителей не только при хранении, но и во время протекания зарядового пакета через ПЗС и зазор.

Краевой эффект возникает из-за двумерности распределения электрического поля в реальных ПЗС, что делает потенциальные ямы не прямоугольными, а закругленными. Следовательно, площадь поверхности занимаемая пакетом, будет зависеть от величины заряда и всегда будет больше площади, занимаемой меньшим по величине фоновым зарядом. Поэтому поверх постные ловушки, расположенные у краев электрода, где фонового заряда нет, будут пустыми и смогут захватывать носители из зарядного пакета. Потери заряда or этого эффекта составляют (4-5)10-4.

Захват носителей в процессе передачи главным образом связан с тем, что в зазоре фонового заряда нет и поэтому ловушки не заполнены. Обусловленная этим неэффективность составляет (2--3) 10-4. Таким образом, введение фонового заряда не позволяет выполнить условие е2>0, но в несколько раз уменьшает потери передачи, обусловленные захватом носителей поверхностными ловушками.

В заключение рассмотрим фоточувствительность ПЗС. Одним из факторов, определяющих фоточувствительность, является коэффициент поглощения?, который характеризует интенсивность поглощения фотонов (с образованием электронно-дырочных пар). Коэффициент поглощения? резко уменьшается при увеличении длины волны падающего света. Поэтому область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в информационные заряды (называемая областью спектральной чувствительности) ограничена. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница составляет 0,4--0,5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое, в котором интенсивно происходит рекомбинация фотогенерируемых носителей.

Если считать, что все возбужденные носители собираются ПЗС, то зарядный пакет Qpn, накапливаемый за время генерации (интегрирования) ta под действием светового потока Нш, может быть рассчитан по следующему приближенному выражению:

QPП = qHизиtи?Aэ, (6)

где и -- квантовый выход; Аэ -- часть площади элемента, воспринимающая свет. Для ПЗС и=1, этому соответствует фоточувствительность порядка 500 мкА/лм. Пороговая чувствительность, при которой сигнал превышает шумы примерно в 2 раза, составляет для ПЗС около 10-4 лк·с. Фотоприемное устройство на ПЗС можно освещать со стороны затворов (электродов) или с обратном стоны.

3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике

Одним из важнейших направлений развития оптоэлектроники является создание телевизионной системы на базе интегральных схем, начиная от передающей системы и кончая экраном.

Основой телевизионной передающей системы (рис.11) является формирователь сигналов изображений (ФСИ), называемый также формирователем видеосигналов (ФВС). ФСИ преобразует изображение в адекватную ему последовательность электрических импульсов. Большинство телевизионных передающих камер основано на использовании видикона, представляющего собой электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), на торцевую поверхность которой нанесена мишень в виде слоя высокоомного фотопроводника. Сканирование осуществляется электронным лучом.

Передаваемое изображение с помощью объектива проецируется на мишень, отдельные участки которой заряжены электронным лучом до определенного потенциала. Сопротивление каждого участка фотопроводящего слоя зависит от его освещенности. Поэтому в интервале между двумя последовательными подзарядками участки с различной освещенностью разряжаются по-разному и при последующем сканировании ток электронного луча, создающий видеосигнал, изменяется в соответствии с изображением.

Рис.11. Структурная схема телевизионной передающей системы:

1 - объект; 2-линза; 3- формирователь сигналов изображений; 4 - усилитель; 5 - блок хранения сигнала: 6 - блок считывания сигнала; 7 -формирователь в и деосигнала; 8 - видеоусилитель

Основной недостаток видиконов (а также их разновидностей: плюмбиконов, кремниконов и т. д.) связан с необходимостью использовать высоковольтные вакуумные системы. Это обусловливает низкие долговечность и надежность устройств, значительные габаритные размеры и массу, невысокую механическую прочность и другие недостатки, присущие всем вакуумным приборам.

При создании твердотельных формирователей сигналов изображений для обеспечения сканирования пытаются использовать (но пока безуспешно) различные физические эффекты: эффект Суля, дрейф неосновных носителей заряда, движение доменов сильного поля и др.

Формирователи сигналов изображений на ПЗС по сравнению с ЭЛТ различного устройства характеризуются конструктивной и технологической простотой, малыми габаритными размерами и массой, значительной долговечностью и надежностью и малой потребляемой мощностью. Эти преимущества обусловлены самосканированием (передача зарядовых пакетов на выход ФСИ осуществляется с помощью самих ПЗС-элементов). Имение это конструктивно-технологическое интегрирование функций фоточувствительных и сканирующих элементов в одном приборе позволяет считать ПЗС наиболее перспективными для создания полностью твердотельных ФСИ.

4 Фотоприемные характеристики ПЗС

ПЗС-элементы в формирователе сигналов изображений работают в трех режимах: восприятие (интегрирование) изображения, т. е. преобразование светового потока в зарядовые пакеты; хранение зарядовых пакетов; передача (сканирование) зарядовых пакетов на выход устройства. В режиме восприятия изображений световой поток от объекта падает на поверхность ФСИ и вызывает генерацию электронно-дырочных пар в полупроводниковой подложке. В областях кристалла, соответствующих потенциальным ямам ПЗС, носители разделяются, в результате чего в ФСИ накапливается «картина» зарядовых пакетов, соответствующая воспринимаемому образу.

Основными фотоприемными характеристиками ФСИ являются светочувствительность, пороговая светочувствительность, область спектральной чувствительности, разрешающая способность, время интегрирования, частотно-контрастная характеристика, шумы, динамический диапазон. Часть этих.характеристик (светочувствительность, область спектральной чувствительности, время интегрирования) относится к одному ПЗС-элементу и рассмотрена в гл. 1. Другие характеристики зависят or количества передач зарядовых пакетов, от шумов, от вида выходных устройств и т. д., т. е. от способа организации ФСИ.

Разрешающая способность R определяется максимальным количеством линий (отнесенных к одному миллиметру), которое еще может быть воспринято данным ФСИ без их слияния в одно целое. Очевидно, что в ПЗС максимальная разрешающая способность определяется длиной одного светочувствительного элемента L3 и равна

Rмакс=1/LЭ. (7)

Для трехтактных ПЗС LЭ=3(L + l), где L -- длина электрода; l -- длина зазора между электродами. Минимальным значением L = 3 мкм и l=3 мкм соответствует разрешающая способность Rмакс?50 линий/мм. Под разрешающей способностью иногда также понимают общее количество элементов изображения, воспринимаемых всем ФСИ (например, 500x500 элементов).

Реальная разрешающая способность ПЗС ниже рассчитанной по формуле (4). При малых уровнях освещенности в светочувствительных ПЗС-элементах накапливаются малые зарядовые пакеты и большую роль начинают играть шумы. В этом случае минимальный размер светочувствительного элемента определяется не технологией, а условием получения требуемого отношения сигнал/шум ks/N = 3-5.

Шумы в ПЗС можно разделить на две группы: шумы, обусловленные процессом восприятия изображения, и шумы, связанные с режимом передачи зарядовых пакетов. К первой группе относятся белый шум в потоке падающих фотонов (флюктуации плотности потока) и флюктуации фонового заряда.

Шумы фонового заряда зависят от способа его введения. Если фоновый заряд накоплен за счет термогенерации, то его флюктуации характеризуются белым шумом. К шумам, возникающим при сканировании, относятся шумы, обусловленные неполной передачей зарядов, и шумы, обусловленные захватом носителей и перезарядом быстрых поверхностных состояний при прохождении зарядовых пакетов. Еще одним возможным источником шумов является выходной усилитель фотосигналов(Сус).Шумы этого вида являются основным фактором, ограничивающим разрешающую способность в кремниконах, так как при их использовании усилитель выполнен на отдельном кристалле и за счет этого его входная емкость достигает 10--20 пФ. В ФСИ на ПЗС выходной усилитель может быть сформирован а том же кристалле (что исключает монтажные емкости и емкость корпуса), и его входная емкость складывается из емкости «плавающей» диффузионной области и емкости затвора МДП-транзистора. В этом случае Сус = 0,2--0,5 пФ и поэтому шумы, связанные с выходным усилителем, незначительны.

Разрешающая способность ПЗС при низких уровнях освещенности ограничена главным образом шумами в фоновом заряде и шумами процесса захвата носителей. Зависимости рис.12 показывают, что разрешающая способность ограничена шумами при Hизtи<108--109 см-2 (что соответствует величине 10-4- 10-3 лк?с).

Рис.12. Расчетная зависимость разрешающей способности ФСИ на ПЗС емкостью 500X500 элементов от уровня освещенности при разных источниках шумов: 1 - неполная передача зарядов; 2 - быстрые поверхностные состояния; 3 - тепловой шум в фоновом заряде; 4 - экспериментальная кривая для кремнекона А ъ = 25X25 мкм 2 , С из =0,2. t и =0.1 с, k S / N =5

Минимальная площадь одного элемента значительно превышает минимальную «технологическую» и составляет около Аэ?400 мкм2. Выше уровня 109 см2 разрешающая способность определяется минимальными геометрическими размерами светочувствительных элементов. Приведенная на этом же рисунке экспериментальная кривая для кремнекона наглядно демонстрирует преимущество ПЗС при низких уровнях освещенности.

Реальное изображение характеризуется непостоянным потоком Низ(у, z) в плоскости ФСИ. За счет искажений, вносимых ФСИ в процесс преобразования светового потока в «картину» зарядовых пакетов и последующего сканирования зарядов на выход, минимальный размер элемента передаваемого изображения будет больше размера ПЗС-элемента, определяемого шумами или технологией.

Для объективной оценки разрешающей способности ФСИ используется частотно-контрастная характеристика (ЧКХ)(MTF(madulation transfer function).), описывающая изменение амплитуды светового сигнала и сдвиг по пространственной фазе на выходе системы (например, на экране телевизионного приемника) при изменении пространственной частоты входного гармонического сигнала. Любое реальное изображение Hиз может быть разложено в ряд Фурье по пространственным частотам. Так как амплитуды и фазы отдельных гармоник будут искажаться по-разному, то на выходе системы получится искаженное изображение. Поэтому с помощью ЧКХ можно определить искажения, вносимые ФСИ при передаче реального изображения. Частотно-контрастная характеристика определяет передающую систему с точки зрения качественности передачи информации от объекта до наблюдателя. Различные устройства (оптические, фотоэлектронные, электронные, механические и т. д.), вводящие в телевизионную систему, вносят искажения в передаваемую информацию. Частотно-контрастная характеристика и учитывает эти искажения. Аналогией ЧКХ в электронных системах являются амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. Изменение ЧКХ происходит вследствие действия трех факторов: дискретности расположения светочувствительных элементов (изменяющийся в пределах одного элемента световой сигнал представляется усредненным зарядовым пакетом); диффузионного расплывания фотогенерируемых носителей под соседние элементы; потерь зарядов при их переносе.

ЧКХ формирователя сигналов изображений на ПЗС определяется совместным действием всех трех факторов. Поскольку эти факторы являются независимыми, то для получения ЧКХ необходимо перемножить амплитуды и сложить фазы, обусловленные разными эффектами.

Ранее уже отмечалось, что реальное изображение можно разложить в ряд Фурье по пространственным частотам. При передаче через ФСИ гармоники с большей пространственной частотой будут иметь большее затухание по амплитуде и больший фазовый сдвиг, т. е. будут сильнее искажаться по сравнению с низкочастотными. Задаваясь определенным уровнем искажений (по амплитуде и по фазе) и используя ЧКХ, можно определить реальную разрешающую способность ФСИ на ПЗС. При А = 0,2 разрешающая способность оказывается в 2--3 раза меньше предельной Rmax , вычисляемой исходя из размеров ПЗС (4.1), а при А =0,5 -- в 3--4 раза меньше. Таким образом, реальная разрешающая способность ФСИ на ПЗС оказывается равной 20--30 линий/мм.

Динамический диапазон, определяемый как диапазон значений освещенности изображений, который может быть передан без искажений с помощью ФСИ, для ПЗС составляет 1000:1. Нижняя граница этого диапазона определяется шумами, а верхняя -- насыщением потенциальных ям ПЗС и растеканием зарядов при их переполнении. Если на ФСИ падает сильный световой поток, то за время интегрирования потенциальные ямы ПЗС переполняются. Это приводит к двум нежелательным эффектам: во-первых, после заполнения зарядовый пакет, локализованный в потенциальной яме, остается постоянным независимо от уровня освещенности, во-вторых, избыточные заряды под действием диффузии растекаются в соседние ячейки, искажая хранящуюся в них информацию, В конечном итоге это приводит к расплыванию передаваемого изображения, для устранения которого формируют дополнительные обратносмещенные р-n-переходы, собирающие избыточные носители.

5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС

Широкое распространение получили две разновидности ФСИ на ПЗС: строчные (линейные), воспринимающие за один период интегрирования линию изображения, и матричные (плоскостные), в которые весь образ записывается сразу.

Некоторые положения по организации ФСИ являются общими для обоих типов устройств. Прежде всего должно быть обеспечено два режима работы устройства: восприятие светового потока изображения и последовательный вывод зарядовых пакетов к выходу. Используются два принципа: временное или пространственное разделение режимов восприятия и сканирования.

При разделении во времени обе функции ФСИ (восприятие и сканирование) выполняются с помощью одних и тех же ПЗС-элементов за счет усложнения схем управления. Во время восприятия светового потока на соответствующих ПЗС (в трехтактной схеме на каждом третьем электроде) устанавливаются потенциалы хранения, обеспечивающие накопление фотогенерируемых носителей. Все остальные электроды находятся при нулевом потенциале. После восприятия оптической информации на электроды подается последовательность тактовых импульсов, обеспечивающая перемещение зарядовых пакетов информации к выходу.

При разделении обеих функций в пространстве формирователь должен включать в себя две области: светочувствительную область, которая воспринимает световой поток и преобразует его в картину распределения зарядов, и защищенную от света область хранения, в которую после интегрирования передается вся картина распределения зарядов. В следующем затем режиме сканирования информация из этой области передается на выход.

В первом методе все элементы используются в качестве светочувствительных ячеек. Использование всей площади кристалла позволяет получить максимальное разрешение. Недостатком этого метода является усложненение электронного обрамления (управляющих схем), некоторое уменьшение интервала времени, отводимого на интегрирование изображения, и влияние засветки, поскольку за время кадра информация должна быть не только воспринята, но и передана на выход.

Во втором методе для получения той же разрешающей способности требуется удвоенное количество элементов. Соответственно должна быть увеличена и площадь кристалла. К достоинствам метода кроме увеличения длительности интегрирования (вся продолжительность кадра) относится и то, что сканирование осуществляется в области, защищенной от света с незначительным искажением информации.

Применимость того или иного метода определяется достижимыми характеристиками ПЗС и, наоборот, требования к параметрам элементов определяются выбранным методом сканирования. Оба принципа -- и временное, и пространственное разделение -- нашли достаточно широкое распространение.

Перейдем к рассмотрению возможной организации строчных ФСИ (рис.13). В этом устройстве имеется три области: центральная светочувствительная полоска ПЗС, покрытая прозрачным антиотражающим материалом, и две защищенные от света области передачи зарядовых пакетов, расположенные по обе стороны от светочувствительной области и связанные с выходным СР. Электроды центральной области 1 находятся под потенциалом хранения Uхр, обеспечивающим накопление в ПЗС фотогенерируемых зарядов. После восприятия изображения на связывающие электроды 3 поступают импульсы передачи Фх и зарядовые пакеты поочередно сдвигаются в правую и в левую передающие области 2 благодаря соответствующему расположению электродов 3. Затем включаются цепи тактовых импульсов Ф1, Ф2, Ф3 и заряды последовательно перемещаются к двухразрядному СР. Следующий этап -- перевод зарядов в выходную схему считывания на МОП-транзисторах, сформированную на том же кристалле, и превращение их в видеосигнал.

Благодаря наличию двух областей передачи, в которые распределяются зарядовые пакеты, число переносов уменьшается вдвое. Например, если светочувствительная область содержит. 500 воспринимающих электродов, а для передачи используется трехтактная система, то каждая передающая область должна содержать по 250 ПЗС-элементов или 750 электродов (так как в трехтактной системе каждый передающий ПЗС-элемент состоит из трех электродов). Следовательно, число переносов для самой удаленной от выхода точки составит 750.

Рис.13. Организация строчного ФСИ с отдельными светочувствительной и п е редающей областями:

1 - электроды светочувствительной области; 2 - передающие электроды: 3 - связывающие электроды; 4 - двухразрядный сдвиговый регистр; 5 - выхо д ная схема считывания

Выходная схема считывания состоит из плавающей диффузионной области D, МДП-транзистора T1, восстанавливающего потенциал этой области, и транзистора Т2, на затвор которого воздействует изменение потенциала плавающей диффузионной области, пропорциональное поступившему зарядовому пакету. Транзистор Т2 обычно является входом истокового повторителя. Импульсная диаграмма выходных сигналов приведена на рис.14. В такте Фл, совпадающем по времени с тактом Ф"з, диффузионная область D через восстанавливающий транзистор 77 заряжается до высокого отрицательного напряжения, равного Е. Затем в такте Ф"з очередной зарядовый пакет поступает на диффузионную область D, вызывая изменение ее потенциала.

Рис.14. Импульсная диаграмма сигн а лов на выходе строчного ФСИ

При использовании строчных ФСИ развертка изображения по вертикали осуществляется механическим сканированием с помощью зеркального барабана или качающегося зеркала, которые последовательно направляют полоски изображения на ФСИ. Малогабаритная камера, разработанная на основе строчного ФСИ, обеспечивает передачу 8 кадров в секунду, имеет размеры 51X102X76 мм3 и потребляет мощность 2,5 Вт.

Строчные ФСИ используются главным образом в фототелеграфии и реже в телевидении. Отдельные фрагменты рисунка, помещенного на вращающийся барабан, через щелевой экран поступают на линзу, которая фокусирует их на фотосчитывающую ПЗС-линейку. В результате последовательно передаются все фрагменты изображения, которые после преобразования в видеосигналы позволяют передать и воспроизвести изображение.

6 Матричные (плоскостные) ФСИ

Устройства на основе строчных ФСИ позволяют передавать изображение с низкой скоростью и не обеспечивают высокого качества видеосигналов. Поэтому телевизионные передающие камеры строят главным образом на основе матричных ФСИ.

Используются четыре основных способа организации матричных формирователей сигналов изображений на ПЗС: кадровая, строчная, строчно-кадровая, адресная. Эти организации отличаются способом считывания картины зарядовых пакетов.

Рис.15. ФСИ с кадровой о р ганизацией:

1 - каналоограничивающая диффузионная область; 2 - оптическая секция; 3 - элемент изображения; 4 - секция хранения; 5 - выход видеосигнала; 6 - выходной затвор

ФСИ с кадровой организацией состоит из трех секций (рис.15): фотоприемной (оптической), представляющей собой матрицу ПЗС требуемого формата; секции хранения того же формата, в которой хранится картина зарядов; секции считывания, состоящей из СР на ПЗС и выходного считывающего элемента, преобразующего зарядовые пакеты в видеосигналы.

Картина зарядов, накопленные в фотоприемной секции, после окончания кадра с помощью соответствующей последовательности тактовых импульсов быстро сдвигается в секцию хранения. Таким образом, после восприятия изображения весь кадр сдвигается в секцию хранения и фотоприемная секция готова к приему следующего кадра. В течение времени формирования следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в выходной СР, откуда она поэлементно передается на выходной считывающий элемент (подобно тому, как в строчном ФСИ). Тактовая частота сдвига в выходном регистре должна быть в r раз (где r -- количество элементов в одной строке) выше тактовой частоты в секции хранения для того, чтобы к моменту поступления в регистр следующей строки обеспечить передачу на выход всех зарядовых пакетов предыдущей строки.

Достоинствами кадровой организации процесса Сканирования являются высокое качество передаваемого изображения, возможность чересстрочной развертки, топологическая простота и регулярность кристалла. Высокое качество видеосигналов достигается благодаря тому, что после восприятия изображения картина зарядов быстро сдвигается в защищенную от света секцию хранения и поэтому не происходит дополнительной засветки при сканировании, вызывающей искажения видеосигналов. Чересстрочная развертка является прогрессивным методом считывания информации, позволяющим вдвое уменьшить частоту следования видеосигналов при сохранении того же качества изображения. В ФСИ на ПЗС она может быть получена следующим образом.

В трехтактной системе каждый светочувствительный элемент содержит три электрода. При интегрировании изображения только один из них находится под напряжением смещения и накапливает заряды, два остальных электрода необходимы для направленной передачи зарядов и используются только при сдвиге картины зарядов в секцию хранения. Такую избыточность электродов в режиме восприятия изображения можно использовать так. В течение первого полукадра напряжение смещения подается на одну группу электродов, например, на первые электроды светочувствительных элементов. Накопленные заряды сдвигаются в секцию хранения. В течение второго полукадра напряжение смещения подается на все электроды, и заряды накапливаются под ними. Следовательно, один и тот же светочувствительный ПЗС-элемент используется для восприятия различных элементов изображения, т. е. применение чересстрочной развертки позволяет вдвое увеличить разрешающую способность матрицы на ПЗС при сохранении того же количества элементов. Примером этого служит разработанная фирмой RCA передающая камера, имеющая 256X320 светочувствительных элементов и обеспечивающая в то же время получение 512X320 элементов разложения, т. е. практически полный телевизионный стандарт.

Третье достоинство ФСИ с кадровой организацией состоит в топологической простоте кремниевого кристалла. Все три секции ФСИ имеют регулярную структуру. Электроды формируются в виде поперечных полос металлизации, пересекающих весь кристалл. Области хранения зарядов отделяются друг от друга продольными диффузионными полосами. Секция хранения и выходной СР защищаются от света с помощью дополнительной металлизации.

Кадровая организация ФСИ имеет и определенные недостатки. За счет дополнительной секции хранения, содержащей такое же количество ПЗС, что и светочувствительная секция, общее количество элементов увеличивается вдвое. Например, для получения разрешения 500X500 элементов при использовании чересстрочной развертки необходимо иметь светочувствительную секцию объемом 500X250 элементов, секцию хранения такого же объема и выходной СР на 500 элементов. Следовательно, общее количество элементов равно 500X X 501 = 250 500. Если учесть, что в вертикальном направлении каждый светочувствительный элемент содержит три электрода, то общее количество электродов, которые должны быть сформированы на кристалле, близко к 750 000. Создание таких сверхбольших интегральных систем (СБИС) наталкивается (и еще долго будет наталкиваться) на значительные технологические трудности (основная -- бездефектная фотолитография).

Другим недостатком рассматриваемой структуры является сильное влияние дефектов на качество изображения. Если в светочувствительной секции (а особенно в секции хранения) неисправен только один ПЗС-элемент, то на выходе будет потеряна информация от всего столбца, так как при сканировании через неисправный элемент не смогут быть переданы зарядовые пакеты всех элементов столбца, расположенных выше данного. Если в неисправном элементе электрод закорочен с подложкой через отверстие в окисле, то при передаче через данный элемент зарядовые пакеты будут заполняться до насыщения и на воспроизводимом изображении появится вертикальная светлая полоса. Если на электрод не попадает управляющее напряжение из-за обрыва металлизации, то через данный элемент вообще не будут передаваться зарядовые пакеты и на изображении появится вертикальная темная полоса. Все это еще более усиливает требования к бездефектности всех элементов ФСИ.

Подобные документы

Разработка системы на основе микроконтроллера для обработки изображения, принимаемого от прибора с зарядовой связью (ПЗС). Принцип работы ПЗС. Схема электрическая принципиальная. Программы для захвата сигналов от ПЗС на микроконтроллер и их обработки.

курсовая работа , добавлен 22.09.2012

Физические принципы работы фотоприемников на приборах с зарядовой связью. Матричный ПЗС с разделением цветовых сигналов. Технологии комплементарных структур метал–оксид–полупроводник (КМОП). Фотоприёмники с координатной адресацией; телевизионный сигнал.

презентация , добавлен 14.12.2013

Проведение анализа устройства и применения фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) на метало-диэлектрик-полупроводниковых интегральных схемах. Физические механизмы, определяющие перенос зарядов. Металл, используемый для получения контактов.

курсовая работа , добавлен 09.12.2015

Типы структур фотоприемных ячеек фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС). Накопление заряда в пикселях ФПЗС и его перенос. Метод краевой функции рассеяния. Зависимость модуляции от параметров. Моделирование ФПЗС с обратной засветкой.

дипломная работа , добавлен 03.07.2014

Сравнительный анализ существующих способов построения телевизионных камер на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Этапы синтеза схем управления вертикальным и горизонтальным переносом зарядов в матрице ПЗС. Разработка блока обработки видеосигнала.

курсовая работа , добавлен 27.11.2013

Конструкции полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. Стоко-затворная и стоковая (выходная) характеристики, параметры и принцип действия транзисторов. Структура транзисторов с изолированным затвором. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью.

реферат , добавлен 21.08.2015

Основные понятия оптики. Построение изображений с помощью интегральных линз Френеля. Защита интеллектуальной собственности, водяные знаки. Методика расчета кремниевых фотодиодов. Обработка и реконструкция изображений. Камеры и приборы с зарядовой связью.

реферат , добавлен 19.07.2010

Рассмотрение общих сведений о приборах с зарядовой связью. Изучение истории создания и развития, характеристик современных ПЗС-камер инфракрасного диапазона. Анализ разрешения матрицы, физического размера пикселя, размера матрицы, электронного затвора.

курсовая работа , добавлен 20.07.2015

Сравнительный анализ существующих способов построения телевизионных камер на приборах с зарядовой связью. Разработка структурной схемы. Синтез схемы управления выходным регистром, а также разработка принципиальной схемы генератора тактовых импульсов.

дипломная работа , добавлен 20.11.2013

Характеристика и принцип работы индикатора технологического микропроцессорного ИТМ-20, его назначение и сферы применения. Параметры конфигурации и особенности конструкции данного прибора, техническая характеристика его частей, функциональные возможности.

Изобретён У. Бойлом (W. Boyle) и Дж. Смитом (G. Smith) в 1969 году. В 2009 году создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.

ПЗС-ма́трица (сокр. от «п рибор с з арядовой с вязью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD , «Charge-Coupled Device») - специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью.

Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

(ПЗС) - интегральная схема, представляющая собой совокупность МДП-структур, сформированных на общей полупроводниковой подложке т. о., что полоски электродов образуют линейную или матричную регулярную структуру. Расстояния между соседними электродами столь малы, что существенным становится их взаимовлияние вследствие перекрытия областей пространственного заряда вблизи краёв соседних электродов (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Структура прибора с зарядовой связью (фрагмент): 1 - кристалл кремния; 2 - вход - выход; з - металлические электроды; 4 - диэлектрик.

В ПЗС осуществляется направленная передача зарядов от электрода к электроду путём манипуляции электрическими напряжениями на этих электродах. Заряды в ПЗС вводятся электрическим (инжекцией) или фотоэлектрическим способами. Основные функциональные назначения фоточувствительных ПЗС - преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации. Используются термины "прибор с переносом заряда" (ППЗ) и "фоточувствительный прибор с зарядовой связью" (ФПЗС). ПЗС изготовляют на основе монокристаллического кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрическая плёнка диоксида кремния. Этот процесс осуществляется т. о., чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник - диэлектрик и мин. концентрацию рекомбинационных центров на границе. Электроды отд. МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП элементов 500-2000 в линейном и 10 4 – 10 6 в матричном ПЗС; площадь пластины ~ 1см 2 . Под крайними электродами каждой строки изготовляют p- n переходы, предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом (инжекция p - n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегиров. поликристаллич. кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-облас-тях спектра. Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рис. 4.8.

В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения U xp , оттесняющее осн. носители - дырки в случае кремния р-типа - вглубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенц. ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенц. ямы, локализуются в тонком (0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4, 7, образуя сигнальные зарядовые пакеты. Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела (темновой ток) эти заряды будут накапливаться в потенц. ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и т. д. прикладывается т. н. напряжение считывания U с, более высокое, чем напряжение хранения U xp . Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. ямы, чем под электронами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5, 7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенц. ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до U xp, а с электродов 1, 4, 7 снимается напряжение считывания U с. Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам U xp или U с поддерживается небольшое напряжение смещения U см (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинационных эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний p -n переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, к-рый после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрич. импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение.На рис 4.9. приведено устройство одного субпикселя ПЗС.

Рис 4.9. Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

1 - фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 - микролинза субпикселя;
3 - R - красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 - прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 - оксид кремния;
6 - кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей - зона внутреннего фотоэффекта;
7 - зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 - кремниевая подложка p-типа.

Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптич. потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС - кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.

6 Матричные (плоскостные) ФСИ

Литература

1 Общие сведения о приборе с зарядовой связью (ПЗС)

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл - диэлектрик- полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис.1). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур .

Рис.1. Структура ПЗС

Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение*), то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности в глубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей - дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик - полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.

Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента (электрод 1 на рис.1), либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода (электрод п на рис.1.). Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов.

Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд очень интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов.

К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относятся возможность хранения, зарядовой информации; возможность направленной передачи зарядов вдоль поверхности полупроводникового кристалла; возможность преобразования светового потока в электрический заряд и последующего его считывания (сканирования). Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность (5-10 мкВт/бит в режиме передачи информации и практически полное отсутствие затрат энергии в режиме хранения), что обусловлено МДП-структурой этих устройств. Простота конфигурации и регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этих приборов может быть очень высоким (у специально сконструированных образцов предельные тактовые частоты лежат в гигагерцевом диапазоне).

Пожалуй, еще более важными являются конструктивно-технологические достоинства ПЗС, основными из которых являются технологическая ясность и простота (малое число фотолитографических, термодиффузионных и эпитаксиальных процессов при изготовлении прибора) - обязательное условие при создании качественных многоэлементных (с числом элементов 104-106) устройств; высокая степень интеграции (превышающая 105 элементов на одном кристалле) и высокая плотность упаковки (более 105 бит/см2); малое количество внешних выводов, что является определяющим при построении высоконадежных систем; отсутствие p-n-переходов (немногочисленные p-n-переходы ПЗС выполняют «подсобные» функции и к ним предъявляются достаточно «слабые» требования), что, в частности, открывает широкие возможности для использования наряду с кремнием других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия).

Все эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС.

Для цифровой техники интересны сдвиговые регистры, оперативные запоминающие устройства, логические схемы. Линии задержки аналоговых сигналов на ПЗС по техническим характеристикам значительно превосходят свои акустические и магнитные аналоги.

В оптоэлектронной технике преобразования изображений ПЗС открывают принципиальные новые возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом. ПЗС являются уникальными аналогами ЭЛТ, позволяющими одновременно с уменьшением массы, габаритных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и качество формирователей видеосигналов. Дополнительное достоинство фотоприемников на основе ПЗС заключается в принципиальной возможности использовать разнообразные полупроводниковые материалы, что позволит перекрыть широкую область электромагнитного спектра (включая и ИК область).

Создание передающих телевизионных камер на основе ПЗС приведет в будущем не только к оснащению техники надежным «электронным глазом» (отметим, что в проекте создания средств искусственного зрения для человека ориентация делается также на ПЗС), но и к действительно широкому использованию средств телевидения в быту.

Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световой поток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерация электронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяются и в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемого заряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени (порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, в матрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующая распределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакеты будут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их в электрические сигналы. В результате на выходе получится последовательность импульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.

На этой основе создаются, учитывающие устройства для фототелеграфа, а также, передающие камеры (вплоть до камер полноформатного цветного телевидения). В будущем ПЗС найдут применение в качестве удобных матричных фотоприемников в сверхпроизводительных оптоэлектронных вычислительных машинах с параллельной обработкой информации.

Появление ПЗС (1969 г.) явилось результатом исследований в области физики и технологии МДП-приборов. Разработка этого нового направления полупроводниковой техники занимаются многие научные коллективы в разных странах мира и уже достигнуты весьма заметные результаты.

Созданы быстродействующие однокристальные ЗУ на ПЗС емкостью 8192, 16384 и 65536 бит с временем выборки 64-200 мкс и скоростью выдачи информации 1-5 МГц; на базе кристаллов емкостью 16 К (килобит) сконструировано ЗУ емкостью 1 Мбит с блочной выборкой по 256 бит. Разработана широкополосная линия задержки аналоговых сигналов емкостью 128 разрядов, предназначенная для использования в системах цветного телевидения; опробован коррелятор на ПЗС, позволяющий одновременно обрабатывать 40 000 дискретных значений сигнала с общей погрешностью менее 1%.

Имеются многочисленные сообщения о начале промышленного выпуска рядом фирм США (в первую очередь Bell и RCA) передающих телекамер с числом элементов разложения 200X200 и 500x500.

В то же время нельзя не заметить, что на пути широкого использования ПЗС стоит еще много нерешенных проблем - и в первую очередь технологическая: проколы диэлектрической пленки и закоротки электродных шин все еще не позволяют уверенно с высоким процентом выхода получать бездефектные ПЗС достаточно большой информационной емкости. Важнейшей технологической проблемой создания больших ПЗС с однослойной металлизацией является проблема получения узких (2-3 мкм) зазоров между электродами; основной технологический брак в таких структурах - закоротки. В структурах с многослойными кремниевыми затворами трудно получить высококачественный изолирующий диэлектрик между всеми уровнями поликремния.

В заключение хотелось бы отметить, что создание устройств на приборах с зарядовой связью, в особенности оптоэлектронных, является важным этапом в развитии больших интегральных схем и одним из первых реальных шагов по пути к функциональной микроэлектронике.

2 Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью

Динамику перемещения зарядовых пакетов в ПЗС проследим на примере трехкратного сдвигового регистра (рис.2).

В этой схеме каждый третий электрод подключается к соответствующей шине тактовых импульсов. В исходном состоянии (рис.2,а) под напряжением хранения

Рис.2. Схема трехтактного сдвигового регистра на ПЗС:

а 1. 4. 7; б – передача информации; в - хранение информации в элементах 2. 5, 8.

Uхр. =-U2 находятся электроды 1, 4, 7, а все остальные - под напряжением – U1 (U1U2) и заряды перетекают от ПЗС1 (строго говоря, в данном случае следует использовать термин «ПЗС-элемент» или «МДП-структура», так как речь идет об одном элементе прибора с зарядовой связью. Однако для сокращения здесь и в дальнейшем (если из контекста ясно, что речь идет об элементе) используется термин «ПЗС», а слово «элемент» опускается.) к ПЗС2 и от ПЗС7 к ПЗС8 (рис.2,б).

Рис. 3. Зонная диаграмма для ПЗС-элемента в режиме хранения информации: а - в первый момент после включения; б - в стационарном состоянии; 1 - металл; 2- диэлектрик; 3- обедненная область; 4- нейтральная область полупроводника.

На следующем такте на электродах устанавливаются напряжения в соответствии с рис.2,в и начинается фаза хранения зарядовой информации в элементах 2, 5, 8.

В нестационарном состоянии поверхностный потенциал φ зависит от напряжения на затворе U3, плотности (на единицу поверхности) заряда дырок Qp и от электрофизических характеристик диэлектрической пленки и подложки:

где U"3 = U3 - UП3 = U3 - Uo - φ0 + UВ - напряжение плоских зон; - коэффициент подложки; UB = BOC; Сд = εдε0хд - удельная емкость диэлектрика затвора толщиной хд. В (1) и последующих выражениях используются абсолютные значения потенциалов и зарядов, что делает их применимыми для р- и n-канальных ПЗС.

Зависимости φ(QP) для разные значений напряжений затвора приведены на рис.4.

При увеличении заряда дырок Qpот нуля до стационарного значения поверхностный потенциал уменьшается по абсолютной величине до потенциала инверсии φ0. Из графиков рис.4 видно, что зависимости φ(QP) практически линейны. Аппроксимированное выражение для φ имеет вид:

φ=(U"3-QP/Cд)(1+x), (2)

где х=0,1-0,2 - линеаризованный коэффициент подложки.

Максимальный заряд QPM, который может быть помещен в потенциальную яму при заданном напряжении U3, определяется из (1) при условии насыщения потенциальной ямы, т. е. при φ=φ0,

Рис.4. Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного в потенциальной яме заряда при разных напряжениях затвора:

N д =5-10 14 см -3 , U o =3.8 В.

Рис.5. Зависимость Q PΣ = Q P + Q P пар от времени хранения для различных значений информационного заряда Q P . Штриховой линией показаны составляющие заряды, накопленные за счет генерации в обедненной области (1) и на поверхности (2); Q p =0 (3); Q p / С д = 3В (4).

QPM = Сд (U3, - U0) (3)

Обычно QPM= (1-5) 10-3 пКл/мкм2.

Рис.6. Схема передачи заряда в ПЗС

По мере перетекания зарядов поверхностный потенциал в ПЗС1 увеличивается (по абсолютной величине), а в ПЗС2 уменьшается, в результате чего поле в зазоре уменьшается.

Очевидно, что напряжение записи Uзап должно превышать напряжение хранения Uхр тем значительнее, чем больше расстояние между электродами и чем сильнее легирована кремниевая подложка (рис.7). Из рисунка видно, что практически для работоспособных ПЗС ширина зазора не должна превышать l = 2-3 мкм, aNд≤1015 см-3. Минимальная амплитуда импульса записи Uзап линейно увеличивается при возрастании UXP и QP.

Рассмотрим динамику переноса заряда из одного элемента (ПЗС1) в другой (ПЗС2) (рис.6). В режиме хранения к ПЗС1 приложен потенциал UXP, к ПЗС2 - нулевой потенциал. Заряд дырок плотностью Qpравномерно локализован в ПЗС1. После приложения к ПЗС2 потенциала записи Uзап>Uхр в зазоре между ячейками устанавливается тянущее поле, причем обычно напряженность его столь высока, что дырки, находящиеся вблизи левой границы ПЗС1, практически мгновенно переходят в ПЗС2. Концентрация дырок вблизи правой границы ПЗС2 очень быстро спадает до нуля (т. е. поле зазора действует аналогично полю обратного смещенного коллекторного p-n-перехода в транзисторе). Резкое изменение равномерности распределения дырок в ПЗС1 вызывает их интенсивный дрейф и диффузию внутри потенциальной ямы слева на право. Если положить l<

Рис.7. Зависимость минимальной амплитуды импульса записи от напряжения хранения (а), длины зазора (б) и концентрации примеси в подложке (в).

где L- длина затворов (электродов) ПЗС;

μрэ-поверхностная эффективная подвижность.

Очевидно, что коэффициент пропорциональности в (4) зависит от того, какой коэффициент эффективности передачи требуется получить. Обычно для многоэлементных ПЗС этот уровень очень высок и составляет

QРППЗС2/ QРП ПЗС1 = 0,99-0,9999,

где QPП - полный заряд в одной ячейке.

Рис.8. Зависимость нормализованного заряда Q = 1- времени передачи для приборов с параметрами: L =6 мкм, μ рэ =180 см 2 /В·с; численный расчет; _приближенное аналитическое решение.

По мере перетекания заряда из ПЗС1 в ПЗО2 концентрация дырок в ПЗС1, а следовательно, и дрейфовая составляющая тока уменьшаются и процесс передачи, определяемый только диффузией, замедляется -«хвост» переходного процесса всегда более затянут по сравнению с начальной фазой (рис.8). Чем больше начальная плотность заряда Qp, тем большая его часть «вытечет» за время первой быстрой стадии и тем меньше (при заданном допустимом значении ) будет время передачи tпер. Эпюры распределения плотности Заряда дырок в различные моменты времени представлены на рис.9. Через левую границу ПЗС1 потока дырок нет, поэтому на графиках рис.9 в любой момент времени градиент концентрации дырок в этой точке равен нулю.

Рис.9. Эпюры распределения Qp ( y ) в различные моменты процесса передачи

Наглядной аналогией процесса передачи заряда является вытекание вязкой жидкости из прямоугольного сосуда, торцевая стенка которого (соответствующая правой границе потенциальной ямы ПЗС) отодвинута так же, как и в ПЗС, чем больше начальный уровень жидкости, тем быстрее выльется заданная ее часть.

Рис.10. Зависимости коэффициента потерь ε 1 от времени передачи для ПЗС с разной длиной электродов.

Для большинства реальных структур ПЗС размеры Lи l соизмеримы и очень малы; при этих условиях; становится существенным эффект проникновения краевого поля Еkр (которое мы выше считали полностью сосредоточенным в зазоре) в область ПЗС1, что оказывает определяющее влияние на перетекание оставшейся части зарядового пакета.

Рассмотрим важнейшую характеристику ПЗС - эффективность передачи заряда , представляющую собой часть заряда дырок, перешедшую из ПЗС1 в ПЗС2 за время передачи. При заданном допустимом уменьшении ^зарядового пакета значение определяет максимальное количество элементов, через которое информация может быть передана без восстановления. Часто оказывается удобнее использовать понятие потери (неэффективности) передачи ε =1-. При конечном времени передачи потери заряда обусловлены, во-первых, тем, что за t=tnepчасть заряда ε1 просто не успевает перетечь в соседнюю ячейку и, во-вторых, захватом части носителей ε2 поверхностными ловушками. Составляющая ε1 определяет потери передачи на высоких частотах, ε2-на низких и средних частотах работы.

Рассмотрим подробнее захват носителей поверхностными ловушками. Если, например, в ПЗС1 поступает информационный пакет, то часть дырок захватывается

границей раздела диэлектрик - полупроводник. На следующем такте зарядовый пакет перетекает в ПЗС2, равновесие между инверсным слоем и поверхностными ловушками нарушается, и они начинают разряжаться. Те носители, которые освобождаются ловушками за t=tnep, успевают вернуться в зарядовый пакет, остальные образуют потери передачи ε2 . Потери ε2зависят не только от плотности поверхностных ловушек и величины зарядового пакета, но и от характера предшествующей зарядовой информации, передаваемой через данный элемент. Если передается серия логических 1 (которой соответствуют большие зарядовые пакеты), то потери ε2 будут максимальны в первом зарядовом пакете и будут уменьшаться в последующих, так как часть ловушек, захвативших заряды от первого пакета, не успеет разрядиться к приходу следующего и эти ловушки не будут участвовать в захвате носителей. Наихудшим случаем с точки зрения потерь ε2 является передача чередующейся последовательности логических 1 и 0. В этом случае выражение для ε2 имеет вид:

(5)

где Nл - плотность поверхностных ловушек; т = 2, 3 ... - количество управляющих тактов; Сд(U3-U0) - величина зарядового пакета. В типичных структурах ε2=(2-3) 10-3 и в первом приближении не зависит от тактовой частоты.

Захват носителей в процессе передачи главным образом связан с тем, что в зазоре фонового заряда нет и поэтому ловушки не заполнены. Обусловленная этим неэффективность составляет (2-3) 10-4. Таким образом, введение фонового заряда не позволяет выполнить условие ε2→0, но в несколько раз уменьшает потери передачи, обусловленные захватом носителей поверхностными ловушками.

В заключение рассмотрим фоточувствительность ПЗС. Одним из факторов, определяющих фоточувствительность, является коэффициент поглощения , который характеризует интенсивность поглощения фотонов (с образованием электронно-дырочных пар). Коэффициент поглощения  резко уменьшается при увеличении длины волны lпадающего света. Поэтому область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в информационные заряды (называемая областью спектральной чувствительности) ограничена. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница составляет 0,4-0,5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое, в котором интенсивно происходит рекомбинация фотогенерируемых носителей.

Если считать, что все возбужденные носители собираются ПЗС, то зарядный пакет Qpn, накапливаемый за время генерации (интегрирования) taпод действием светового потока Нш, может быть рассчитан по следующему приближенному выражению:

QPП = qHизθtи·Aэ, (6)

где θ - квантовый выход; Аэ - часть площади элемента, воспринимающая свет. Для ПЗС θ=1, этому соответствует фоточувствительность порядка 500 мкА/лм. Пороговая чувствительность, при которой сигнал превышает шумы примерно в 2 раза, составляет для ПЗС около 10-4 лк·с. Фотоприемное устройство на ПЗС можно освещать со стороны затворов (электродов) или с обратном стоны.

3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике

Одним из важнейших направлений развития оптоэлектроники является создание телевизионной системы на базе интегральных схем, начиная от передающей системы и кончая экраном.

Рис.11. Структурная схема телевизионной передающей системы:

1 - объект; 2-линза; 3-формирователь сигналов изображений; 4 - усилитель; 5 - блок хранения сигнала: 6 - блок считывания сигнала; 7 -формирователь видеосигнала; 8- видеоусилитель

При создании твердотельных формирователей сигналов изображений для обеспечения сканирования пытаются использовать (но пока безуспешно) различные физические эффекты: эффект Суля, дрейф неосновных носителей заряда, движение доменов сильного поля и др.

4 Фотоприемные характеристики ПЗС

Разрешающая способность Rопределяется максимальным количеством линий (отнесенных к одному миллиметру), которое еще может быть воспринято данным ФСИ без их слияния в одно целое. Очевидно, что в ПЗС максимальная разрешающая способность определяется длиной одного светочувствительного элемента L3 и равна

Rмакс=1/LЭ. (7)

Для трехтактных ПЗС LЭ=3(L + l), где L- длина электрода; l - длина зазора между электродами. Минимальным значением L = 3 мкм и l=3 мкм соответствует разрешающая способность Rмакс≈50 линий/мм. Под разрешающей способностью иногда также понимают общее количество элементов изображения, воспринимаемых всем ФСИ (например, 500x500 элементов).

Шумы в ПЗС можно разделить на две группы: шумы, обусловленные процессом восприятия изображения, и шумы, связанные с режимом передачи зарядовых пакетов. К первой группе относятся белый шум в потоке падающих фотонов (флюктуации плотности потока) и флюктуации фонового заряда.

Шумы фонового заряда зависят от способа его введения. Если фоновый заряд накоплен за счет термогенерации, то его флюктуации характеризуются белым шумом. К шумам, возникающим при сканировании, относятся шумы, обусловленные неполной передачей зарядов, и шумы, обусловленные захватом носителей и перезарядом быстрых поверхностных состояний при прохождении зарядовых пакетов. Еще одним возможным источником шумов является выходной усилитель фотосигналов(Сус).Шумы этого вида являются основным фактором, ограничивающим разрешающую способность в кремниконах, так как при их использовании усилитель выполнен на отдельном кристалле и за счет этого его входная емкость достигает 10-20 пФ. В ФСИ на ПЗС выходной усилитель может быть сформирован а том же кристалле (что исключает монтажные емкости и емкость корпуса), и его входная емкость складывается из емкости «плавающей» диффузионной области и емкости затвора МДП-транзистора. В этом случае Сус = 0,2-0,5 пФ и поэтому шумы, связанные с выходным усилителем, незначительны.

Разрешающая способность ПЗС при низких уровнях освещенности ограничена главным образом шумами в фоновом заряде и шумами процесса захвата носителей. Зависимости рис.12 показывают, что разрешающая способность ограничена шумами при Hизtи<108-109 см-2 (что соответствует величине 10-4- 10-3 лк·с).

Рис.12. Расчетная зависимость разрешающей способности ФСИ на ПЗС емкостью 500X500 элементов от уровня освещенности при разных источниках шумов: 1- неполная передача зарядов;2 -быстрые поверхностные состояния; 3 - тепловой шум в фоновом заряде; 4 - экспериментальная кривая для кремнекона А ъ = 25X25 мкм 2 ,С из =0,2. t и =0.1 с, k S / N =5

Минимальная площадь одного элемента значительно превышает минимальную «технологическую» и составляет около Аэ≈400 мкм2. Выше уровня 109 см2 разрешающая способность определяется минимальными геометрическими размерами светочувствительных элементов. Приведенная на этом же рисунке экспериментальная кривая для кремнекона наглядно демонстрирует преимущество ПЗС при низких уровнях освещенности.

Для объективной оценки разрешающей способности ФСИ используется частотно-контрастная характеристика (ЧКХ)(MTF(madulationtransferfunction).), описывающая изменение амплитуды светового сигнала и сдвиг по пространственной фазе на выходе системы (например, на экране телевизионного приемника) при изменении пространственной частоты входного гармонического сигнала. Любое реальное изображение Hиз может быть разложено в ряд Фурье по пространственным частотам. Так как амплитуды и фазы отдельных гармоник будут искажаться по-разному, то на выходе системы получится искаженное изображение. Поэтому с помощью ЧКХ можно определить искажения, вносимые ФСИ при передаче реального изображения. Частотно-контрастная характеристика определяет передающую систему с точки зрения качественности передачи информации от объекта до наблюдателя. Различные устройства (оптические, фотоэлектронные, электронные, механические и т. д.), вводящие в телевизионную систему, вносят искажения в передаваемую информацию. Частотно-контрастная характеристика и учитывает эти искажения. Аналогией ЧКХ в электронных системах являются амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. Изменение ЧКХ происходит вследствие действия трех факторов: дискретности расположения светочувствительных элементов (изменяющийся в пределах одного элемента световой сигнал представляется усредненным зарядовым пакетом); диффузионного расплывания фотогенерируемых носителей под соседние элементы; потерь зарядов при их переносе.

ЧКХ формирователя сигналов изображений на ПЗС определяется совместным действием всех трех факторов. Поскольку эти факторы являются независимыми, то для получения ЧКХ необходимо перемножить амплитуды и сложить фазы, обусловленные разными эффектами.

Ранее уже отмечалось, что реальное изображение можно разложить в ряд Фурье по пространственным частотам. При передаче через ФСИ гармоники с большей пространственной частотой будут иметь большее затухание по амплитуде и больший фазовый сдвиг, т. е. будут сильнее искажаться по сравнению с низкочастотными. Задаваясь определенным уровнем искажений (по амплитуде и по фазе) и используя ЧКХ, можно определить реальную разрешающую способность ФСИ на ПЗС. При А = 0,2 разрешающая способность оказывается в 2-3 раза меньше предельной Rmax, вычисляемой исходя из размеров ПЗС (4.1), а при А =0,5 - в 3-4 раза меньше. Таким образом, реальная разрешающая способность ФСИ на ПЗС оказывается равной 20-30 линий/мм.

Динамический диапазон, определяемый как диапазон значений освещенности изображений, который может быть передан без искажений с помощью ФСИ, для ПЗС составляет 1000:1. Нижняя граница этого диапазона определяется шумами, а верхняя - насыщением потенциальных ям ПЗС и растеканием зарядов при их переполнении. Если на ФСИ падает сильный световой поток, то за время интегрирования потенциальные ямы ПЗС переполняются. Это приводит к двум нежелательным эффектам: во-первых, после заполнения зарядовый пакет, локализованный в потенциальной яме, остается постоянным независимо от уровня освещенности, во-вторых, избыточные заряды под действием диффузии растекаются в соседние ячейки, искажая хранящуюся в них информацию, В конечном итоге это приводит к расплыванию передаваемого изображения, для устранения которого формируют дополнительные обратносмещенные р-n-переходы, собирающие избыточные носители.

5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС

Широкое распространение получили две разновидности ФСИ на ПЗС: строчные (линейные), воспринимающие за один период интегрирования линию изображения, и матричные (плоскостные), в которые весь образ записывается сразу.

Некоторые положения по организации ФСИ являются общими для обоих типов устройств. Прежде всего должно быть обеспечено два режима работы устройства: восприятие светового потока изображения и последовательный вывод зарядовых пакетов к выходу. Используются два принципа: временное или пространственное разделение режимов восприятия и сканирования.

Применимость того или иного метода определяется достижимыми характеристиками ПЗС и, наоборот, требования к параметрам элементов определяются выбранным методом сканирования. Оба принципа - и временное, и пространственное разделение - нашли достаточно широкое распространение.

Перейдем к рассмотрению возможной организации строчных ФСИ (рис.13). В этом устройстве имеется три области: центральная светочувствительная полоска ПЗС, покрытая прозрачным антиотражающим материалом, и две защищенные от света области передачи зарядовых пакетов, расположенные по обе стороны от светочувствительной области и связанные с выходным СР. Электроды центральной области 1 находятся под потенциалом хранения Uхр, обеспечивающим накопление в ПЗС фотогенерируемых зарядов. После восприятия изображения на связывающие электроды 3 поступают импульсы передачи Фх и зарядовые пакеты поочередно сдвигаются в правую и в левую передающие области 2 благодаря соответствующему расположению электродов 3. Затем включаются цепи тактовых импульсов Ф1, Ф2, Ф3 и заряды последовательно перемещаются к двухразрядному СР. Следующий этап - перевод зарядов в выходную схему считывания на МОП-транзисторах, сформированную на том же кристалле, и превращение их в видеосигнал.

Рис.13. Организация строчного ФСИ с отдельными светочувствительной и передающей областями:

1 - электроды светочувствительной области; 2 - передающие электроды: 3 - связывающие электроды; 4 - двухразрядный сдвиговый регистр; 5 – выходная схема считывания

Выходная схема считывания состоит из плавающей диффузионной области D, МДП-транзистора T1, восстанавливающего потенциал этой области, и транзистора Т2, на затвор которого воздействует изменение потенциала плавающей диффузионной области, пропорциональное поступившему зарядовому пакету. Транзистор Т2 обычно является входом истокового повторителя. Импульсная диаграмма выходных сигналов приведена на рис.14. В такте Фл, совпадающем по времени с тактом Ф"з, диффузионная область Dчерез восстанавливающий транзистор 77 заряжается до высокого отрицательного напряжения, равного Е. Затем в такте Ф"з очередной зарядовый пакет поступает на диффузионную область D, вызывая изменение ее потенциала.

Рис.14. Импульсная диаграмма сигналов на выходе строчного ФСИ

6 Матричные (плоскостные) ФСИ

Устройства на основе строчных ФСИ позволяют передавать изображение с низкой скоростью и не обеспечивают высокого качества видеосигналов. Поэтому телевизионные передающие камеры строят главным образом на основе матричных ФСИ.

Используются четыре основных способа организации матричных формирователей сигналов изображений на ПЗС: кадровая, строчная, строчно-кадровая, адресная. Эти организации отличаются способом считывания картины зарядовых пакетов.

Рис.15. ФСИ с кадровой организацией:

1 - каналоограничивающая диффузионная область; 2 - оптическая секция; 3 - элемент изображения; 4 - секция хранения; 5 - выход видеосигнала; 6 - выходной затвор

ФСИ с кадровой организацией состоит из трех секций (рис.15): фотоприемной (оптической), представляющей собой матрицу ПЗС требуемого формата; секции хранения того же формата, в которой хранится картина зарядов; секции считывания, состоящей из СР на ПЗС и выходного считывающего элемента, преобразующего зарядовые пакеты в видеосигналы.

Картина зарядов, накопленные в фотоприемной секции, после окончания кадра с помощью соответствующей последовательности тактовых импульсов быстро сдвигается в секцию хранения. Таким образом, после восприятия изображения весь кадр сдвигается в секцию хранения и фотоприемная секция готова к приему следующего кадра. В течение времени формирования следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в выходной СР, откуда она поэлементно передается на выходной считывающий элемент (подобно тому, как в строчном ФСИ). Тактовая частота сдвига в выходном регистре должна быть в rраз (где r- количество элементов в одной строке) выше тактовой частоты в секции хранения для того, чтобы к моменту поступления в регистр следующей строки обеспечить передачу на выход всех зарядовых пакетов предыдущей строки.

Кадровая организация ФСИ имеет и определенные недостатки. За счет дополнительной секции хранения, содержащей такое же количество ПЗС, что и светочувствительная секция, общее количество элементов увеличивается вдвое. Например, для получения разрешения 500X500 элементов при использовании чересстрочной развертки необходимо иметь светочувствительную секцию объемом 500X250 элементов, секцию хранения такого же объема и выходной СР на 500 элементов. Следовательно, общее количество элементов равно 500XX 501 = 250 500. Если учесть, что в вертикальном направлении каждый светочувствительный элемент содержит три электрода, то общее количество электродов, которые должны быть сформированы на кристалле, близко к 750 000. Создание таких сверхбольших интегральных систем (СБИС) наталкивается (и еще долго будет наталкиваться) на значительные технологические трудности (основная - бездефектная фотолитография).

Для достижения этого используют усложненную технологию последовательного осаждения трех слоев поликристаллического кремния, изолированных друг от друга термически выращенным окислом (рис.16).

Рис.16. Трехтактная структура с перекрывающимися кремниевыми электродами: 1- поликристаллическне электроды; 2 - изолирующий окисел

Такая структура является трехтактным ПЗС. Перекрытие кремниевых слоев у краев электродов приводит к тому, что реальная ширина зазоров оказывается равной толщине окисла и не превышает 0,1-0,2 мкм. Благодаря узким зазорам возникают сильные краевые поля, обеспечивающие высокую эффективность передачи. Важным достоинством данной трехуровневой структуры, приводящим к уменьшению дефектов, является то, что вся поверхность кремния оказывается достаточно надежно защищенной. Важно и то, что поликристаллические кремниевые электроды прозрачны и обеспечивают максимальное использование активной площади кристалла для восприятия потока света. На основе этой технологии создан ФСИ с кадровой организацией, содержащий 220X128 элементов размером 30X30 мкм2 каждый.

Кадровая организация ФСИ на ПЗС получила наибольшее распространение, и на основе ее получены устройства с наибольшей разрешающей способностью. В фирме RCA на кристалле 7,6X10,2 мм2 разработан ФСИ емкостью 256X320 элементов, который при использовании чересстрочного разложения обеспечивает разрешающую способность 512X320 элементов.

Другим способом организации ФСИ является строчная организация (рис.17). При этом матрица содержит оптическую секцию и выходной сдвиговый регистр. В режиме восприятия изображения в светочувствительных элементах оптической секции накапливаются зарядовые пакеты. Затем последовательно на каждую из строк через ключи, управляемые вертикальным сдвиговым регистром, подаются тактовые импульсы и зарядовые пакеты переходят в выходной регистр, из которого они передаются на выход.

При строчной организации секция хранения не требуется. Поэтому для получения необходимой разрешающей способности количество ПЗС-элементов может быть вдвое меньшим, чем при кадровой организации. Уменьшается также число переносов. Недостатком строчной организации является то, что зарядовые пакеты, поступающие в выходной сдвиговый регистр с более нижних строк, проходят большее количество разрядов выходного регистра. Поэтому задержка видеосигналов на выходе оказывается зависящей от номера считываемой строки.

Рис.17. Строчная организация матричного ФСИ:

1 - запускающие импульсы; 2 - сдвигающие импульсы; 3 -выходной диод; 4 - генератор развертки; 5 - ключи выбора строк; 6 - выходной регистр; 7 - двухтактные сдвигающие импульсы; 8 - оптическая секция накопления зарядов

Другой недостаток строчной организации связан с тем, что передача зарядовых пакетов строк осуществляется светочувствительными элементами, поэтому засветка, сопутствующая сканированию, искажает передаваемую информацию. Влияние дефектов такое же, как при кадровой организации, т. е. неисправность одного элемента строки вызывает появление белой или темной полосы на воспроизводимом изображении.

Модификацией кадрового способа является такая организация ФСИ, при которой оптическая секция и секция хранения как бы вложены друг в друга. Кристалл содержит матрицу светочувствительных элементов, в которой между столбцами расположены защищенные от света ПЗС-элементы хранения. Зарядовые пакеты, накопленные в светочувствительных элементах, сдвигаются в прилегающие к ним затемненные столбцы и хранятся в них. Вывод сигналов в выходной сдвиговый регистр осуществляется построчно, начиная с нижней строки.

Достоинством модифицированной кадровой организации является уменьшение количества переносов, так как для сдвига всей картины зарядовых пакетов в секцию хранения требуется только один перенос. Такой ФСИ объемом 100X100 элементов был использован в миниатюрной телевизионной камере MV-100 размером 38Х64Х Х90 мм3 и массой 170 г с потребляемой мощностью 1 Вт. Камера работает при изменении освещенности в диапазоне от яркого солнечного до комнатного света, обеспечивает разрешающую способность в 80 строк при частоте 120 кадров в секунду.

Рис.18. Прибор с инжекцией заряда:

а - режим накопления зарядового пакета; б - перенос зарядов под У-шину; в- инжекция зарядов в подложку при считывании

Присущее ПЗС самосканирование, используемое в описанных способах организации, требует бездефектности всех элементов матрицы. Неисправность одного элемента вызывает потерю информации всего передающего столбца или строки. Адресная организация ФСИ устраняет этот недостаток. При таком способе организации информация покоординатно выбирается из отдельных элементов. ФСИ с адресной организацией реализуется на приборах с инжекцией заряда в подложку, представляющих собой разновидность ПЗС, в которых зарядовая связь существует в парах между двумя элементами. Каждая пара содержит два МДП-конденсатора, связанных между собой с помощью р+-области. Затворы конденсаторов подключены соответственно к горизонтальной Х и вертикальной У-шинам (рис18). ФСИ представляет собой матрицу таких светочувствительных пар. В режиме восприятия изображения на все электроды подается отрицательное напряжение смещения, и фотогенерируемые носители накапливаются в потенциальных ямах под затворами (рис.18,а). Считывание осуществляется покоординатно. Для выборки элемента с координатами i, kнапряжение смещения снимается с i-й строки и k-гoстолбца. При снятии напряжения с одного из затворов накопленные под ним дырки через р+-область переходят в соседнюю потенциальную яму (рис.18,6). При снятии напряжений с обоих электродов (что имеет место только в считываемом элементе, расположенном на пересечении 1-й строки и k-гoстолбца) дырки инжектируются в подложку и вызывают в ее цепи импульс тока (рис.18,в).

Управление покоординатной выборкой, обеспечивающей последовательное считывание зарядовой информации из всех элементов матрицы, целесообразно осуществлять с помощью двух СР на МДП-транзисторах, сформированных на одном кристалле со светочувствительными элементами. На входы обоих регистров поступают импульсы, которые при сдвиге в данный разряд вызывают уменьшение напряжения на подключенной к нему шине. Частота сдвигов в регистре считывания строки в rраз выше, чем в регистре столбца, r- количество элементов в строке. Поэтому сначала последовательно считываются элементы первой строки, затем в вертикальном регистре осуществляется сдвиг на один разряд и начинается считывание следующей строки и т. д.

Основным достоинством адресной организации является то, что для считывания зарядового пакета из любого элемента требуется только один перенос (от одного электрода к другому). Поэтому нет потерь зарядового пакета и искажений передаваемой информации, как во всех предыдущих вариантах. Второе преимущество - это ослабление влияния дефектов отдельных элементов на качество изображения. Действительно, если неисправен один элемент, то на воспроизводимом изображении появится темная или белая точка, а не полоса, как пои других способах организации. Потенциальные ямы двух электродов одного светочувствительного элемента связаны p+-областью, поэтому при изготовлении ФСИ на приборах с инжекцией заряда не надо получать узкие зазоры. Следовательно, снижаются требования к фотолитографии.

Усовершенствование приборов с инжекцией заряда применением эпитаксиальной технологии для образования р-n-перехода с тонкой подложкой позволило значительно улучшить параметры ФСИ: увеличить на порядок скорость считывания, расширить динамический диапазон до 500: 1, обеспечить отношение пика сигнал/шум на уровне 1200: 1. С использованием адресной организации фирма GeneralElectric разработала формирователь сигналов изображений, содержащий 256X256 светочувствительных элементов.

Наиболее простые управляющие цепи (два трехтактных генератора) требуются при модифицированной кадровой организации. Регулярную простую топологию имеют ФСИ со строчной и с кадровой организациями. При модифицированной кадровой организации элементы хранения, расположенные рядом со светочувствительными элементами, необходимо защищать от света с помощью металлизации, что усложняет технологию. Технологическими недостатками приборов с инжекцией заряда являются необходимость формирования в каждом светочувствительном элементе диффузионной области и пересечения металлизированных шин строк и столбцов. Наибольшая разрешающая способность (512Х Х326 элементов) достигнута при использовании кадровой организации трехтактных структур с трехслойными кремниевыми электродами. Таким образом, различные способы организации имеют определенные достоинства и недостатки; наилучшее сочетание характеристик имеют кадровая и модифицированная кадровая организации.

Рис.19. Строка ФСИ на МДП-фотодиодных элементах: 1 - фотодиод; 2 -передающий МДП-транзистор; 3 - вход тактовых импульсов обслуживающего сдвигового регистра; 4 - сдвиговый регистр на МДП-транзисторах; 5 - вход питания; 6- выход видеосигнала.

Родственными ФСИ на ПЗС являются матрицы на основе МДП-фотодиодных элементов. Эти приборы появились на несколько лет раньше ПЗС, на их основе выпускаются линейные ФСИ, содержащие от 64 до 1000 элементов, и матричные ФСИ с разрешающей способностью 5ОХ"5О элементов.

ФСИ на основе МДП-фотодиодных структур представляет собой фотодиодную схему, в которой для сканирования зарядовых пакетов используются МДП-транзисторы (рис.19). Воспринимаемое изображение преобразуется в картину зарядовых пакетов, накапливаемых на р - n-переходах фотодиодов. Передача зарядов на выход осуществляется с помощью последовательно открывающихся МДП-транзисторов, которые управляются сигналами от сдвигового регистра, выполненного также на МДП-транзисторах и сформированного на том же кристалле. Таким образом, в данном ФСИ функции преобразования света в заряд и хранения заряда выполняются фотодиодами, а функция передачи - МДП-транзисторами. В ФСИ на ПЗС все три функции выполняются самими ПЗС-элементами.

Достоинствами МДП-фотодиодных структур являются отсутствие искажений зарядовых пакетов при сканировании (так как требуется только одна передача); большая, чем у ПЗС, фоточувствительность, что обусловлено меньшим коэффициентом отражения света в фотодиодной структуре и большей глубиной (равной глубине залегания р-n-перехода), на которой накапливаются заряды. Недостатками являются большая (примерно в четыре раза) площадь одного светочувствительного элемента, состоящего из фотодиода и МДП-транзистора, что приводит к уменьшению разрешающей способности; больший уровень шумов и меньшая амплитуда выходного сигнала, что связано с большой выходной емкостью, равной емкости всей передающей шины строки.

По-видимому, для создания ФСИ с большой разрешающей способностью (для полноформатных передающих ТВ камер) будут использоваться ПЗС. Основные области применения МДП-фотодиодных структур - системы наблюдения, оптического распознавания образов, дефектоскопия и т. п., т. е. системы специального малокадрового телевидения с числом элементов разложения 50X50.

7 Перспективы развития ФСИ на ПЗС

Функциональные возможности ФСИ на ПЗС пока далеко не исчерпаны. В настоящее время на основе ПЗС разрабатываются главным образом формирователи сигналов изображений видимого света. Однако их возможности простираются и на ИК диапазон. Электромагнитные волны ИК диапазона вызывают генерацию электронно-дырочных пар не за счет перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости (для этого необходима большая энергия), а за счет возбуждения электронов с мелкие примесных уровней. Для того чтобы эти уровни не разряжались без воздействия ИК излучения, необходимо значительно уменьшить термогенерацию, т. е. охладить кристалл. Так как кристалл имеет небольшие габаритные размеры, то задача его охлаждения может быть решена относительно просто. Используя примеси, образующие разные по глубине уровни, можно добиться эффективного восприятия изображений в различных поддиапазонах ИК области.

Еще одно расширение функциональных возможностей ПЗС связано с тем, что глубина обедненного слоя, образующегося под затвором, зависит от напряжения на нем. Учитывая также сильную зависимость коэффициента поглощения света от длины волны lможно создать спектрально-чувствительные ФСИ, позволяющие выделять определенные цвета в видимой части спектра.

Наиболее очевидной областью применения ФСИ на ПЗС являются передающие телевизионные камеры. Однако современные образцы формирователей с наибольшей разрешающей способностью пока не удовлетворяют требованиям телевизионного стандарта и не обеспечивают неискаженную передачу изображений с яркими участками. Ожидается, что в ближайшее время эти трудности будут преодолены.

На основе существующих ФСИ можно создавать портативные и энергоэкономичные передающие камеры с меньшей разрешающей способностью, предназначенные для промышленного применения, учебных, медицинских и спортивных целей. Уже упоминалось о черно-белой передающей камере MV-100, в которой.используется ФСИ на ПЗС с разрешающей способностью 100ХЮ0 элементов. На основе приборов с инжекцией заряда на кристалле 8,4X11,2 мм2 разработана многоэлементная матрица, которая при использовании чересстрочной развертки дает разрешающую способность 512X256 элементов. Размер кристалла позволяет использовать оптику от 16-мм кинокамер.

На основе ФСИ на ПЗС можно построить цветную передающую телевизионную камеру. Для этого используются три кристалла ФСИ и стандартный цветоделительный блок, в котором световой поток изображения расщепляется на три цвета, поступающих на соответствующие кристаллы ФСИ. В ФСИ эти световые потоки преобразуются в видеосигналы. Благодаря фиксированной конфигурации матриц и тактируемому самосканированию в ФСИ на ПЗС устраняется трудность точного совмещения развертываемых изображений, существующая в цветных телевизионных камерах с тремя трубками и вызывающая появление «цветной бахромы» на воспроизводимом изображении.

Передающие камеры для малых уровней освещенности являются еще одной перспективной областью применения ПЗС. Основной проблемой, возникающей при малых уровнях освещенности, являются шумы, которые становятся сравнимыми с сигналом. Собственные шумы ПЗС, обусловленные флюктуациями фонового заряда и флюктуациями зарядовых потерь при передаче, позволяют достичь минимального уровня освещенности, соответствующего 60-100 электронам водном зарядовом пакете. При таком малом сигнале определяющую роль начинают играть шумы выходного усилителя. Эти шумы могут быть значительно снижены с помощью многократного неразрушающего считывания и последующего сложения выходных сигналов, в результате которого флюктуации усредняются и отношение сигнал/шум ks/Nувеличивается. Подобный принцип реализуется с помощью многоразрядного усилителя, так называемого «распределенного усилителя с плавающим затвором» (РУПЗ) (рис.20). К каждому биту последние Nвых разрядов выходного сдвигового регистра подключен усилитель зарядов с плавающим затвором.

Рис.20. Схема многоразрядного распределенного усилителя с плавающими затворами:

1 - выходной сдвиговой регистр; 2 - дополнительный сдвиговой регистр с увеличенной площадью ПЗС-элементов; 3 - усилители зарядовых сигналов .

Усиленные зарядовые сигналы поступают в дополнительный сдвиговой регистр с большей площадью затворов. Оба регистра управляются одинаковыми тактовыми импульсами и передача зарядов в них осуществляется синхронно. В каждом бите дополнительного регистра к передаваемому зарядовому пакету добавляется соответствующий ему усиленный заряд. Так как усиление выходных сигналов осуществляется многократно, в различных элементах, и в разные моменты времени, то все флюктуации усредняются.

Структура усилителя (рис.21а) включает в себя тактовый электрод, под которым расположен плавающий затвор. При поступлении тактового импульса зарядовый пакет из предыдущего ПЗС-элемента перетекает (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в потенциальную яму рассматриваемого ПЗС-элемента и вызывает изменение потенциала на плавающем затворе, который выступает из-за плоскости ПЗС-элемента. Выступающая часть является затвором МДП-транзистора, контролирующего передачу усиленного зарядового пакета (также в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в выходные ПЗС-элементы большей площади.

Рис.21. Структура (а) и эквивалентная схема (б) усилителя с плавающим затвором: 1 - тактовый электрод; 2 - плавающий затвор; 3 - потенциальная яма ПЗС; 4 - канал МДП-транзистора; 5 - каналоограничивающие n +-области

В соответствии с эквивалентной схемой усилителя (рис.21,б) начальное напряжение, устанавливающееся на плавающем затворе (узел I) после прихода тактового импульса (но до наступления зарядового пакета Q), равно:

φ1 = U"фС2/[С2 + С1 С3(С1 + С3) + С4 + Свх], (8)

где С2 - емкость конденсатора, образованного тактовым электродом и перекрывающейся частью плавающего затвора; d- емкость диэлектрика, расположенного под перекрывающейся частью плавающего затвора; С3 - емкость поверхностного обедненного слоя ПЗС-элемента; С4 -емкость между плавающим затвором и каналоограничивающей п+- диффузионной областью; Свх - емкость выступающего участка плавающего затвора на подложку. Нетрудно убедиться, что после прихода Qизменение потенциала Δφ1 составляет:

Δφ1/Q= -[ С2 + С4 + Свх+ х(С1 + С2 + С4 + Свх)]-1 (9)

Знак минус в (7) отражает тот факт, что увеличение заряда Q вызывает уменьшение потенциала плавающего затвора.

Изменение потенциала Δφ1 вызывает изменение тока стока МДП-транзистора. Если его крутизна равна g = dIc/dU3, то коэффициент усиления заряда AQравен:

AQ = QY/Q(Δφ1/Q)·g·ty . (10)

где Qy - усиленный заряд, ty- длительность стробирующего импульса, открывающего цепь передачи заряда через МДП-транзистор.

Кроме усиленного информационного заряда в ПЗС-элементы выгодного регистра поступает фоновый заряд Qф, обусловленный начальным смещением φ1 затвора МДП-транзистора:

Величина фонового заряда флюктуирует и связанные с этим шумы равны:

. (12)

Отношение сигнал/шум в одном разряде РУЛЗ равно:

. (13)

Если использовать обычную модель МДП-транзистора:

, вычислить крутизну gи подставить выражения для gи Iс в (11), то получим, что ks/Nне зависит от режима МДП-транзистора:

kS/N = Δφ12{kty/}1/2, (14)

где k- удельная крутизна МДП-транзистора, х - коэффициент влияния подложки.

Из (14) следует, что существует оптимальная величина емкости выступающей части плавающего затвора Свх опт, при которой kS/Nмаксимален. Из условия dkS/N/dCBХ = 0, используя также (8) и (12), получим

Свх опт = С2+С2+С1х/(1+х). (15)

Однако реально МДП-транзистор работает в режиме микротоков, в котором его характеристики отклоняются от обычной модели. Поэтому kS/Nзависит от режима и более точно оптимальное значение Свхопт можно определить с помощью экспериментальных вольтамперных характеристик.

Так как РУПЗ содержит NBblХ разрядов, то суммарное усиление информационного заряда будет в NBblХ раз больше (по сравнению с одним разрядом), а суммарные шумы увеличатся только в (NBblХ)1/2 раз. Следовательно, kS/Nв многоразрядовом усилителе пропорционален (Nnux) 1/2 и требуемое значение kS/Nможет быть достигнуто с помощью определенного числа разрядов РУПЗ.

Для получения kS/N =5 при зарядовом сигнале Q = 10-5 пК. (что соответствует 60 электронам) требуется 12 разрядов усилителя. Изменение потенциала плавающего затвора от такого заряда очень мало, 150мкВ. Поэтому для реализации РУПЗ необходимы высокостабильные источники питания. Площадь ПЗС-элементов в РУПЗ определяется из условия размещения в потенциальной яме последнего элемента суммарного усиленного информационного зарядового пакета и суммарного фонового заряда.

Еще одной возможной областью применения ФСИ на ПЗС являются астрономические приборы и фотодатчики для регистрации элементарных частиц. В этих приборах используется четкая геометрическая фиксация элементов ФСИ, позволяющая с высокой точностью определять координаты требуемого элемента изображения.

В заключение подробнее остановимся на использовании ПЗС в системах формирования сигналов ИК изображений. Существуют три области для их применения: уплотнение с помощью ПЗС информации, снимаемой с ИК приемника; организация временной задержки и интегрирования снимаемой информации; непосредственная регистрация ИК сигналов с помощью ПЗС, сформированные на полупроводниках с узкой запрещенной зоной.

Входы матрицы ПЗС, используемой для уплотнения информации, через емкостные связи соединяются с выходами приемников ИК излучения (рис.22). В каждом ПЗС-элементе образуется зарядовый пакет, пропорциональный выходному напряжению соответствующего приемника. Затем картина зарядов сканируется (передается) на выход. Применение ПЗС в этом случае позволяет осуществлять уплотнение информации внутри самого дьюара (используемого для охлаждения ИК приемников), что приводит к уменьшению количества выводов из дьюара и к минимизации тепловой нагрузки. С этим методом применения связаны две проблемы: перекрестные помехи между каналами, обусловленные потерями зарядов при переносе, и шумы, возникающие при инжекции в ПЗС зарядов.

При использовании ПЗС для получения временной задержки и интегрирования сигналов каждый ПЗС-элемент соединяется с соответствующим ИК приемником. ИК изображение перемещается относительно матрицы приёмников с некоторой скоростью и каждый элемент изображения последовательно проходит все приемники соответствующего столбца матрицы (рис.23). Перенос зарядовых пакетов вдоль цепочки ПЗС-элементов осуществляется с такой же скоростью. В результате время интегрирования изображения увеличивается в kраз, где k-количество элементов в столбце (равное числу строк в матрице ИК приемников).

Рис.22. Использование ПЗС для уплотнения и передачи на выход информации, снимаемой с ИК приемников:

1- ИК приемники; 2-буферные элементы; 3 - ПЗС

Рис.23. Использование ПЗС для временной задержки и интегрирования снимаемой с ИК приемников информации:

1 - ИК приемники; 2 - буферные элементы; 3 - ПЗС. Направления, а также скорости перемещения ИК изображения (4) и передачи зарядов вдоль ПЗС (5) совпадают.

Если матрица содержит rтаких столбцов, то общее количество соединений между матрицей приемников и ПЗС составляет kr. Надежное изготовление большого числа внутрисхемных соединений является сложной технологической задачей при создании подобных систем.

В третьем варианте, названном ИК ПЗС, сами ПЗС используются для регистрации и формирования сигналов ИК изображений. В этом случае организация матрицы такая же, как в светочувствительных ПЗС. Основные проблемы ИК ПЗС следующие. Для восприятия ИК излучения необходимы узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны которых (определяющая положение максимума поглощения) соответствует окнам атмосферной прозрачности для ИК излучения: 2-2,5; 3,5-4,2; 8-14 мкм. Подходящие материалы имеются среди бинарных и тройных соединений типа АIIIВV, AIIIBVI, AIVBIV, например InAs, InSb и т. д. Технология изготовления МДП-структур на таких материалах пока недостаточно отработана. Создание ИК ПЗС на несобственном полупроводнике также представляет известные трудности.

В последнее время определенные успехи достигнуты в технологии МДП-структур на InSb с пленкой оксини-трида кремния в качестве диэлектрика (полученной с помощью осаждения) и нихромовым затвором. Плотность поверхностных состояний в таких структурам составляет 1012 см-2, а время релаксации МДП-емкости достигает 0,1 с при температуре 77 К.

По конструктивно-технологическим характеристикам формирователи ИК сигналов на ПЗС подразделяются на монолитные и гибридные. Монолитные формирователи включают в себя, прежде всего, ИК ПЗС на узкозонных полупроводниках или легированных широкозонных полупроводниках, чувствительных к ИК излучению, а также приборы, содержащие на одном кристалле чувствительную к ИК излучению матрицу на элементах с барьером Шоттки (с внутренней фотоэмиссией) и считывающую схему на ПЗС.

В противоположность монолитным приборам гибридные приборы являются комбинацией ИК приемников различных типов и кремниевого ПЗС, используемого для сдвига информации на выход, а в общем случае и для ее обработки: усиления, суммирования, вычисления корреляционных функций. Гибридные формирователи, в свою очередь, можно разделить на приборы с прямой инжекцией, в которых фотогенерируемые в ИК приемнике заряды непосредственно вводятся в ПЗС, и на приборы с непрямой инжекцией, в которых между ИК приемником и ПЗС существуют буферные элементы (МДП-транзисторы или усилительные каскады). В качестве ИК приемников можно использовать фотовольтаические, фоторезистивные и пироэлектрические приемники.

Литература

1. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Приборы зарядовой связи. М., 1976.

2. Носов Ю.Р. Приборы зарядовой связи. М.,Знание.1989.

3. Шилин В.А. «ПЗС» - В книге Микроэлектроника. под ред. Васенкова А.А. выпуск 6.М., Современное радио.1973.

Неизвестный Сергей Иванович
Никулин Олег Юрьевич

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ -
ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЗС.

В предыдущей статье был сделан краткий анализ существующих полупроводниковых приёмников света и подробно описаны строение и принцип функционирования приборов с зарядовой связью.

В предлагаемой статье речь пойдет о физических характеристиках ПЗС-матриц и об их влиянии на общие свойства телекамер.

Число элементов ПЗС-матрицы.

Пожалуй, самая “базовая” характеристика ПЗС-матриц - число элементов. Как правило, подавляющее число моделей имеют стандартное число элементов, ориентированное на телевизионный стандарт: 512х576 пиксел (эти матрицы обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения) и 768х576 пиксел (такие матрицы позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала).

Наиболее крупным из изготовленных и описанных в литературе ПЗС является монокристальный прибор корпорации Ford Aerospace размером 4096х4096 пикселов со стороной пиксела 7,5 микрон.

При производстве выход качественных приборов больших размеров очень невысок, поэтому при создании ПЗС-видеокамер для съемок крупноформатных изображений применяют другой подход. Многими фирмами изготавливаются ПЗС с выводами, расположенными на трех, двух или одной стороне (buttable CCD). Из таких приборов собирают мозаичные ПЗС. Например, фирмой Loral Fairchild изготавливается очень интересный и перспективный прибор 2048х4096 15 мкм. Выводы этого ПЗС вынесены на одну узкую сторону. Достижения российской промышленности несколько скромнее. НПП “Силар” (Санкт-Петербург) выпускает ПЗС 1024х1024 16 мкм с объемным каналом переноса заряда, виртуальной фазой и выводами на одной стороне прибора. Такая архитектура приборов позволяет стыковать их друг с другом с трех сторон.

Интересно отметить, что в настоящее время создано несколько специализированных крупноформатных светоприемников на основе ПЗС-мозаик. Так, например, из восьми ПЗС 2048х4096 компании Loral Fairchild собирается мозаика 8192х8192 с общими размерами 129х129 мм. Зазоры между отдельными кристаллами ПЗС составляют менее 1 мм. В некоторых приложениях относительно большие зазоры (до 1 см) не считаются серьезной проблемой, так как полное изображение можно получить суммированием в памяти компьютера нескольких экспозиций, слегка смещенных относительно друг друга, заполняя таким образом зазоры. Изображение, полученное мозаикой 8196х8196, содержит 128 Мбайт информации, что эквивалентно, примерно, 100-томной энциклопедии по 500 страниц в каждом томе. Хотя эти цифры и внушительны, они все же малы по сравнению с размерами и разрешением фотографических эмульсий, которые могут изготавливаться огромными листами. Даже самая крупнозернистая 35-мм пленка содержит в кадре до 25 миллионов разрешаемых зерен (пикселов).

Разрешающая способность телекамер

От числа элементов ПЗС-матрицы напрямую зависит один из основных параметров телекамеры - разрешение (или разрешающая способность). На разрешение камеры в целом, кроме того, влияют параметры электронной схемы обработки сигнала и параметры оптики.

Разрешение определяется как максимальное количество чёрных и белых полос (т.е. количество переходов от черного к белому или обратно), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте.

Это означает, что камера позволяет рассмотреть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, если в паспорте камеры указано, что её разрешение составляет N телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая расстояние и фокусируя изображение таблицы, надо добиться того, чтобы верхний и нижний края изображения таблицы на мониторе совпали с внешними контурами таблицы, отмечаемыми вершинами черных и белых призм. Далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают различаться. Последнее замечание очень важно, так как и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС-матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами.

За единицу измерения разрешения в телесистемах принимается ТВЛ (тв-линия). Разрешение по вертикали у всех камер практически одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом - 625 строк телевизионной развертки и они по этой координате не могут передать больше 625 объектов. Различие в разрешении по горизонтали - именно оно обычно указывается в технических описаниях.

На практике в большинстве случаев разрешение 380-400 тв-линий вполне достаточно для задач теленаблюдения общего характера. Однако, для специализированных телесистем и задач, таких, как телемониторинг большого пространства одной камерой, просмотр большого периметра телекамерой с переменным угловым увеличением (зумом), слежения в аэропортах, железнодорожных вокзалах, причалах, супермаркетах, системы отождествления и распознавания автомобильных номеров, системы идентификации по лицу и пр., требуется более высокое разрешение (для этого используются камеры с разрешением 570 и более тв-линий).

Разрешение цветных камер несколько хуже, чем черно-белых. Это является следствием того, что структура пиксела ПЗС-матриц, применяемых в цветном телевидении, отличается от структуры пиксела черно-белых матриц. Образно говоря, пиксел цветной матрицы состоит из комбинации трех пикселов, каждый из которых регистрирует свет либо в красной (Red), либо в зелёной (Green), либо в голубой (Blue) части оптического спектра. Таким образом, с каждого элемента цветной ПЗС-матрицы снимется три сигнала (RGB-сигнал). Эффективное разрешение при этом должно быть в раз хуже, чем у чёрно-белых матриц. Однако, у цветных матриц разрешение ухудшается меньше, так как размер их пиксела по сравнению с размером пиксела аналогичной чёрно-белой матрицы в полтора раза меньше, что в результате приводит к ухудшению разрешения всего лишь на 30-40%. Негативной стороной этого является снижение чувствительности цветных матриц, поскольку эффективная площадь регистрации элемента изображения становится существенно меньше. Типичное разрешение цветных телекамер составляет 300 - 350 тв-линий.

Кроме того, на разрешение камеры влияет полоса частот видеосигнала, выдаваемого камерой. Для передачи сигнала 300 ТВЛ необходима полоса частот 2,75 МГц (150 периодов на 55 мкс строки телевизионной развертки). Связь между полосой частот телеразвертки (n пчтр) и разрешением (ТВЛ) определяется соотношением:

n пчтр =(ТВЛ/2) х n чств,

где частота n пчтр измеряется в МГц, разрешение ТВЛ в тв-линиях, частота строчной телеразвертки n чств =18.2 кГц.

В настоящее время разработано много разнообразных полупроводниковых усилителей с хорошими частотными характеристиками, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую, чтобы ни в коей мере не повлиять на итоговое разрешение системы. Так что разрешение ограничивается именно топологией дискретности светоприемной области ПЗС-матрицы. Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют красивыми словами типа “resolution enhancement” или “edge enhancement”, что можно перевести как “контрастное разрешение” и “подчёркнутые границы”. Надо отдавать себе отчет в том, что такой подход не улучшает собственно разрешение, таким образом улучшается только четкость передачи границ черного и белого, да и то не всегда.

Однако есть один случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на несущей (в стандарте PAL - на частоте около 4,4 МГц.), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3,8 МГц (строго говоря, стандарт предполагает гребёнчатые фильтры для разделения сигналов цветности и яркости, однако реальное оборудование имеет просто фильтры НЧ). Это соответствует разрешению около 420 ТВЛ. В настоящее время некоторые производители декларируют разрешение своих цветных камер 480 ТВЛ и более. Но они, как правило, не акцентируют внимание на том, что это разрешение реализуется, лишь если сигнал снимается с Y-C (S-VHS) или компонентного (RGB) выхода. В этом случае сигналы яркости и цветности передаются двумя (Y-C) или тремя (RGB) отдельными кабелями от камеры к монитору. При этом монитор, а также все промежуточное оборудование (переключатели, мультиплексоры, видеомагнитофоны) также должны обладать входами/выходами типа Y-C (или RGB). В противном случае, один-единственный промежуточный элемент, обрабатывающий композитный видеосигнал, ограничит полосу пропускания упомянутыми 3,8 МГц и сделает все затраты на дорогие камеры бесполезными.

Квантовая эффективность и квантовый выход ПЗС-камеры.

Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла ПЗС.

Однако не следует путать понятия квантовая эффективность и квантовый выход. Квантовый выход - это отношение числа фотоэлектронов, образовавшихся в полупроводнике или вблизи его границы в результате фотоэффекта, к числу упавших на этот полупроводник фотонов.

Квантовая эффективность - это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоэлектрона в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку этот коэффициент всегда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода. Особенно велико это различие для приборов с низкоэффективной системой регистрации сигнала.

По квантовой эффективности ПЗС не имеют себе равных. Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2-3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) - до 20%, у ПЗС этот параметр может достигать 95% при типичном значении от 4% (низкокачественные ПЗС, используемые, как правило, в дешёвых видеокамерах “желтой” сборки) до 50% (типичная неотобранная видеокамера западной сборки). Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у ПЗС. Так же ограничен спектральный диапазон у фотокатодов традиционных вакуумных телекамер и фотоэмульсий. ПЗС реагируют на свет с длиной волн от единиц ангстрем (гамма и рентгеновское излучение) до 1100 нм (ИК-излучение). Этот огромный диапазон намного больше спектрального диапазона любого другого детектора, известного к настоящему времени.

Рис. 1.Пример квантовой эффективности ПЗС-матрицы.

Чувствительность и спектральный диапазон

С понятиями квантовой эффективности и квантового выхода тесно связан другой важный параметр телекамеры - чувствительность. Если квантовой эффективностью и квантовым выходом оперируют, в основном, разработчики и проектировщики новых телесистем, то чувствительностью пользуются инженеры-наладчики, служба эксплуатации и проектировщики непосредственных рабочих проектов на предприятиях. По сути, чувствительность и квантовый выход приёмника связаны между собой линейной функцией. Если квантовый выход связывает количество падающих на светоприемник фотонов и число фотоэлектронов, порождённых этими фотонами в результате фотоэффекта, то чувствительность определяет отклик светоприёмника в электрических единицах измерения (например, в мА) на определённую величину падающего потока света (например, в Вт или в лк/сек). При этом разделяется понятие болометрической чувствительности (т.е. суммарная во всем спектральном диапазоне чувствительности приёмника) и монохроматическая, измеряемая, как правило, по потоку излучения спектральной шириной в 1 нм (10 ангстрем). Когда говорят, что чувствительность приёмника на длине волны (например, 450 нм), то это означает, что чувствительность пересчитана на поток в диапазоне от 449,5 нм до 450,5 нм. Такое определение чувствительности, измеряемой в мА/Вт, является однозначным и не вызывает при его использовании никакой путаницы.

Однако для потребителей телевизионной техники, применяемой в охранных системах, чаще используют другое определение чувствительности. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальную освещенность на матрице (image illumination).

С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта и его коэффициент отражения (иногда этот коэффициент называют словом “альбедо”). Альбедо обычно определяется на конкретной длине волны, хотя есть такое понятие как болометрическое альбедо. Очень сложно объективно оперировать с определением чувствительности, базирующимся на освещенности на объекте. Это особенно сказывается при проектировании телесистем распознавания на больших расстояниях. Многие матрицы не могут зарегистрировать изображение лица человека, находящегося на расстоянии 500 метров, даже если оно освещено очень ярким светом.*

Примечание

* Задачи такого рода появляются в практике охранного телевидения, особенно в местах с повышенной угрозой терроризма и пр. Телесистемы такого рода разработаны в 1998 году в Японии и готовятся к массовому производству.

Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизованных условиях - коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4. Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице, приведена ниже:

Iimage=Iscene х R/(p х F2),

где Iimage , Iscene - освещенность ПЗС-матрицы и объекта (табл. 1);
R - коэффициент отражения объекта (табл. 2);
p - число 3,14;
F - светосила объектива.

Значения Iimage и Iscene отличаются обычно больше, чем в 10 раз.

Освещенность измеряется в люксах. Люкс - освещенность, создаваемая точечным источником в одну международную свечу на расстоянии в один метр на поверхности, перпендикулярной к лучам света.

Таблица 1. Ориентировочная освещенность объектов.

На улице (широта Москвы)
Безоблачный солнечный день	100 000 люкс
Солнечный день с легкими облаками	70 000 люкс
Пасмурный день	20 000 люкс
Ранее утро	500 люкс
Сумерки	0.1 - 4 люкса
“Белые ночи”*	0.01 – 0.1 люкса
Ясная ночь, полная луна	0,02 люкса
Ночь, луна в облаках	0,007 люкса
Темная облачная ночь	0,00005 люкса
В помещении
Помещение без окон	100 – 200 люкс
Хорошо освещенное помещение	200 – 1000 люкс

* “Белые ночи” - условия освещенности, удовлетворяющие гражданским сумеркам, т.е. когда солнце погружается под горизонт без учёта атмосферной рефракции не более чем на 6° . Это справедливо для Санкт-Петербурга. Для Москвы выполняются условия так называемых “навигационных белых ночей”, т.е. когда диск солнца погружается под горизонт не более чем на 12° .

Нередко чувствительность камеры указывают для “приемлемого сигнала”, под которым подразумевается такой сигнал, когда отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение зашумленности, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.

Другой способ определения “приемлемого” сигнала - шкала IRE (Institute of Radio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 вольта) принимается за 100 единиц IRE. “Приемлемым” считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, в частности, BURLE, указывает для 25 IRE, некоторые - для 50 IRE (уровень сигнала -6 дБ). Выбор “приемлемого” уровня определяется отношением сигнал/шум. Нетрудно усилить электронный сигнал. Беда, что шум усилится тоже. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового производства ныне обладают Hyper-HAD матрицы фирмы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве камер высокого качества. Разброс параметров, построенных на их основе камер означает, в основном, разнобой в подходах производителей к определению понятия “приемлемый сигнал”.

Дополнительная проблема с определением чувствительности связана с тем, что единица измерения освещенности “люкс” определена для монохроматического излучения с длиной волны 550 нм. В связи с чем имеет смысл обращать особое внимание на такую характеристику, как спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер существенно, по сравнению с человеческим глазом, растянута в инфракрасный диапазон вплоть до 1100 нм. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами и по некоторым параметрам приближаются к приборам ночного видения.

Спектральная чувствительность цветных камер примерно совпадает с человеческим глазом.

Рис. 2. Пример спектральной чувствительности цветной ПЗС-матрицы с RGB стандартными полосами.

Таблица 2. Примерные значения коэффициентов отражения различных объектов.

Объект	Коэффициент отражения (%)
Снег	90
Белая краска	75-90
Стекло	70
Кирпич	35
Трава, деревья	20
Человеческое лицо	15 – 25
Каменный уголь, графит*	7

* Интересно отметить, что коэффициент отражения лунной поверхности тоже составляет около 7%, т.е. Луна на самом деле чёрная.

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь - ЭОП). Подобные камеры обладают уникальными свойствами (чувствительность в 100 - 10000 раз выше обычных, причем в среднем инфракрасном диапазоне там, где наблюдается максимум излучения человеческого тела, оно само светится), но, с другой стороны, и уникальной капризностью - время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем, рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до F/1000 или более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, дабы избежать “вжигания” изображения на катоде ЭОП.

Интересно отметить, что в отличие от ПЗС-матриц, катоды ЭОП очень чувствительны к максимальным засветкам. Если светочувствительная область ПЗС-камеры после яркого освещения сравнительно легко возвращается в своё исходное состояние (ей практически не страшны засветки), то катод ЭОП после яркой засветки очень долго (иногда 3-6 часов) “восстанавливается”. Во время этого восстановления, даже при закрытом входном окне, с катода ЭОП считывается остаточное, “воженное” изображение. Как правило, после больших засветок, из-за эффектов реабсорбции (выделение газов под воздействием бомбардировки стен каналов потоками ускоряемых электронов) на большой площади микроканальных пластин резко возрастают шумы ЭОП и, в частности, многоэлектронные и ионные. Последние проявляются в виде частых ярких вспышек большого диаметра на экране монитора, что резко затрудняет выделение полезного сигнала. При ещё больших входных световых потоках могут произойти необратимые процессы как с катодом, так и с выходным люминесцентным экраном ЭОП: под воздействием большого потока происходит выход из строя (“выжигание”) отдельных их участков. При дальнейшей эксплуатации эти участки имеют пониженную чувствительность, падающую в дальнейшем до нуля.

В большинстве телекамер сверхвысокой чувствительности применяются усилители яркости с выходными люминесцентными экранами жёлтого или желто-зеленого свечения. В принципе, свечение этих экранов можно рассматривать как монохроматический источник излучения, что автоматически приводит к определению: системы такого типа могут быть только монохромные (т.е. чёрно-белые). Учитывая это обстоятельство, создатели систем подбирают и соответствующие ПЗС-матрицы: с максимумом чувствительности в жёлто-зелёной части спектра и с отсутствием чувствительности в ИК-диапазоне.

Отрицательным следствием высокой чувствительности матриц в ИК-диапазоне является повышенная зависимость шумов прибора от температуры. Поэтому ИК-матрицы, используемые для работ в вечернее и ночное время без усилителей яркости, в отличие от телесистем с ЭОП, рекомендуется охлаждать. Основной причиной сдвига чувствительности ПЗС-телекамер в ИК-область по сравнению с другими полупроводниковыми приёмниками излучения связан с тем, что более красные фотоны проникают дальше в кремний, так как прозрачность кремния больше в длинноволновой области и при этом вероятность захвата фотона (преобразования его в фотоэлектрон) стремится к единице.

Рис. 3. Зависимость глубины поглощения фотонов в кремнии от длины волны.

Для света с длиной волны больше 1100 нм кремний прозрачен (энергии красных фотонов не достаточно для создания электронно-дырочной пары в кремнии), а фотоны с длиной волны менее 300-400 нм поглощаются в тонком поверхностном слое (уже на поликремневой структуре электродов) и не достигают потенциальной ямы.

Как уже говорилось выше, при поглощении фотона генерируется пара носителей электрон-дырка, и электроны собираются под электродами, если поглощение фотона произошло в обедненной области эпитаксиального слоя. При такой структуре ПЗС может быть достигнута квантовая эффективность около 40% (теоретически на этой границе квантовый выход равен 50%). Однако поликремниевые электроды непрозрачны для света с длиной волны короче 400 нм.

Для получения более высокой чувствительности в коротковолновом диапазоне часто используют покрытие ПЗС тонкими пленками веществ, которые поглощают голубые или ультрафиолетовые (УФ) фотоны и переизлучают в видимом или красном диапазоне длин волн.

Шумом называют любой источник неопределенности сигнала. Можно выделить следующие типы шумов ПЗС.

Фотонный шум. Является следствием дискретной природы света. Любой дискретный процесс подчиняется закону (статистике) Пуассона. Поток фотонов (S - количество фотонов, падающих на светочувствительную часть приемника за единицу времени) так же следует этой статистике. Согласно ей, фотонный шум равен . Таким образом, отношение сигнал/шум (обозначается как S/N - signal/noise ratio) для входного сигнала будет:

S/N==.

Шум темнового сигнала.Если на вход матрицы не подавать световой сигнал (например, плотно закрыть светонепроницаемой крышкой объектив видеокамеры), то на выходе системы получим так называемые “темновые” кадры, по-другому его называют шум-снежок. Основной составляющей темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия. Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал. Термоэлектронная эмиссия также подчиняется статистике Пуассона и её шум равен: , где N t - число термически сгенерированных электронов в общем сигнале. Как правило, во всех используемых в системах охранного телевидения видеокамерах ПЗС применяются без активного охлаждения, вследствие чего темновой шум оказывается одним из основных источников шума.

Шум переноса. Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС некоторая часть электронов теряется. Она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса случайным образом меняется как функция количества переносимых зарядов (N), числа переносов (n) и неэффективности отдельного акта переноса (e). Если предположить, что каждый пакет переносится независимо, то шум переноса можно представить следующим выражением:

s =.

Пример: для неэффективности переноса 10 -5 , 300 переносов и числа электронов в пакете 10 5 , шум переноса составит 25 электронов.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС, выводится из матрицы, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания можно представить как некоторый базовый уровень шума, который присутствует даже в изображении с нулевым уровнем экспозиции, когда матрица находится в полной темноте и шум темнового сигнала равен нулю. Типичный шум считывания для хороших образцов ПЗС составляет 15-20 электронов. В лучших образцах ПЗС, изготавливаемых корпорацией Ford Aerospace по технологии Skipper, достигнут шум считывания менее 1 электрона и неэффективность переноса составляет 10 -6 .

Шум сброса или kTC-шум. Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд. Для этого используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла, что вносит шум:

s r =,

где k - постоянная Больцмана.

Для типичного значения ёмкости С равной 0.1пф при комнатной температуре шум сброса составит около 130 электронов. kTC-шум может быть полностью подавлен специальным методом обработки сигнала: двойной коррелированной выборкой (ДКВ). Метод ДКВ эффективно устраняет и низкочастотные сигналы, вносимые обычно цепями питания.

Поскольку основная нагрузка на системы охранного телевидения приходится на темное время суток (либо плохо освещенные помещения), то особенно важно уделять внимание низкошумящим видеокамерам, имеющим большую эффективность применения в условиях низкого освещения.

Параметр, описывающий относительную величину шума, как было сказано выше, называется отношением сигнал/шум (S/N) и измеряется в децибелах.

S/N =20 х log(<видеосигнал>/<шум>)

Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что сигнал в 1000 раз больше шума.

При соотношении сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума, при 40 дБ - иногда заметны мелькающие точки, при 30 дБ - “снег” по всему экрану, при 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную “снежную” пелену разглядеть еще можно.

В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и гамма-коррекции, больше.

Динамический диапазон

Динамический диапазон - это отношение максимально возможного сигнала, сформированного светоприемником, к его собственному шуму. Для ПЗС этот параметр определяется как отношение наибольшего зарядового пакета, который может быть накоплен в пикселе к шуму считывания. Чем больше размер пиксела ПЗС, тем больше электронов может удерживаться в нем. Для разных типов ПЗС эта величина составляет от 75000 до 500000 и выше. При 10 е - шумов (шум ПЗС измеряется в электронах е -) динамический диапазон ПЗС достигает значения 50000. Большой динамический диапазон особенно важен для регистрации изображения в уличных условиях при ярком солнечном свете или в ночных условиях, когда имеется большой перепад освещенности: яркий свет от фонаря и неосвещенная теневая сторона объекта. Для сравнения: лучшие фотоэмульсии имеют динамический диапазон лишь около 100.

Для более наглядного понимания некоторых характеристик ПЗС-приемников и, прежде всего, динамического диапазона, приведем краткое сопоставление их со свойствами глаза человека.

Глаз - самый универсальный светоприёмник.

До сих пор самым эффективным и совершенным, с точки зрения динамического диапазона (и, в особенности, с точки зрения эффективности обработки и восстановления изображения), светоприёмником является человеческий глаз. Дело в том, что глаз человека совмещает два типа светорегистраторов: палочки и колбочки.

Палочки имеют малый размер и сравнительно низкую чувствительность. Они расположены в основном в области центрального жёлтого пятна и практически отсутствуют на периферии сетчатки глазного дна. Палочки хорошо отличают свет с разной длиной волны, точнее имеют механизм формирования разного нейросигнала в зависимости от цвета падающего потока. Поэтому в условиях нормальной освещенности обычный глаз имеет максимальное угловое разрешение вблизи оптической оси хрусталика, максимальное различие цветовых оттенков. Хотя у некоторых людей наблюдаются патологические отклонения, связанные с уменьшением, а иногда отсутствием способности формировать различные нейросигналы в зависимости от длины волны света. Эта патология называется дальтонизм. Люди с острым зрением практически не бывают дальтониками.

Колбочки распределены почти равномерно по всей сетчатке глаза, имеют больший размер и, следовательно, большую чувствительность.

В условиях дневного освещения сигнал от палочек значительно превышает сигнал от колбочек, глаз настроен на работу с ярким освещением (так называемое “дневное” зрение). Палочки по сравнению с колбочками имеют больший уровень “темнового” сигнала (в темноте мы видим ложные светлые “искорки”).

Если неуставшего человека с обычным зрением поместить в тёмную комнату и дать ему адаптироваться (“привыкнуть”) к темноте, то “темновой” сигнал от палочек сильно уменьшится и в восприятии света начнут эффективнее работать колбочки (“сумеречное” зрение). В знаменитых опытах С.И.Вавилова было доказано, что человеческий глаз (вариант “колбочки”) способен регистрировать отдельные 2-3 кванта света.

Таким образом, динамический диапазон человеческого глаза: от яркого солнца до отдельных фотонов, составляет 10 10 (т.е. 200 децибел!). Наилучшим по этому параметру искусственным светоприемником является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В режиме счета фотонов он имеет динамический диапазон до 10 5 (т.е. 100 дБ), а с устройством автоматического переключения на регистрацию в аналоговый режим динамический диапазон ФЭУ может достигать 10 7 (140 дБ), что в тысячу раз хуже по динамическому диапазону, чем глаз человека.

Спектральный диапазон чувствительности у палочек весьма широк (от 4200 до 6500 ангстрем) с максимумом примерно на длине волны 5550 ангстрем. У колбочек спектральный диапазон более узкий (от 4200 до 5200 ангстрем) с максимумом на длине волны около 4700 ангстрем. Поэтому при переходе от дневного зрения к сумеречному обычный человек теряет способность различать цвета (недаром говорят: “ночью все кошки серы”), а эффективная длина волны смещается в синюю часть, в область высокоэнергетичных фотонов. Этот эффект смещения спектральной чувствительности называется эффектом Пуркинье. Им (косвенным образом) обладают многие цветные ПЗС-матрицы, несбалансированные по RGB-сигналу на белый цвет. Это следует учитывать при получении и использовании информации о цвете в телесистемах с камерами, не имеющими автоматической коррекции белого.

Линейность и гамма-коррекция.

ПЗС обладают высокой степенью линейности. Другими словами, число электронов, собираемых в пикселе, строго пропорционально числу фотонов, попавших на ПЗС.

Параметр “линейность” тесно связан с параметром “динамический диапазон”. Динамический диапазон, как правило, может существенно превосходить диапазон линейности, если в системе предусмотрена аппаратная или дальнейшая программная коррекция работы прибора в нелинейной области. Обычно легко поддается корректировке сигнал с отклонением от линейности не более чем на 10%.

Совершенно другая ситуация наблюдается в случае фотографических эмульсий. Эмульсии имеют сложную зависимость реакции на свет и, в лучшем случае, позволяют достичь фотометрической точности в 5% и то только в части своего и без того узкого динамического диапазона. ПЗС же линейны с точностью до 0,1% практически во всем динамическом диапазоне. Это позволяет относительно легко устранять влияние неоднородности чувствительности по полю. Кроме того, ПЗС позиционно стабильны. Положение отдельно взятого пиксела строго фиксировано при изготовлении прибора.

Кинескоп в мониторе имеет степенную зависимость яркости от сигнала (показатель степени 2,2), что приводит к уменьшению контрастности в темных участках и к увеличению - в ярких; в то же время, как было уже отмечено, современные ПЗС-матрицы производят линейный сигнал. Для компенсации общей нелинейности в камеру обычно встраивается устройство (гамма-корректор), предъискажающее сигнал с показателем степени 1/2,2, т.е. 0,45. Некоторые камеры предоставляют выбор коэффициента предъискажения, например, вариант 0,60 приводит к субъективному повышению контрастности, что производит впечатление более “четкой” картинки. Побочный эффект - гамма-коррекция означает дополнительное усиление слабых сигналов (в частности, шума), т.е. одна и та же камера с включенной Г=0.4 будет примерно вчетверо “чувствительнее”, чем при Г=1. Однако еще раз напомним, что никакой усилитель не может увеличить отношение сигнал/шум.

Растекание заряда.

Максимальное количество электронов, накапливаемых в пикселе, ограничено. Для матриц среднего качества изготовления и типичных размеров это значение обычно составляет 200000 электронов. И если суммарное количество фотонов за время экспозиции (кадра) достигнет предельного значения (200000 или более при квантовом выходе 90 % или более), то зарядовый пакет начнет перетекать в соседние пикселы. Детали изображения начинают сливаться. Эффект усиливается, когда “лишний” не поглощенный тонким телом кристалла световой поток отражается от подложки-основы. При световых потоках в пределах динамического диапазона фотоны не доходят до подложки, они практически все (при большом квантовом выходе) трансформируются в фотоэлектроны. Но вблизи верхней границы динамического диапазона происходит насыщение и нетрансформированные фотоны начинают “блуждать” по кристаллу преимущественно с сохранением направления начального входа в кристалл. Большая часть этих фотонов достигает подложки, отражается и этим увеличивает вероятность последующей трансформации в фотоэлектроны, перенасыщая зарядовые пакеты и без того находящиеся у границы растекания. Однако, если на подложку нанести поглощающий слой, так называемое противобликовое покрытие (антиблюмминг), то эффект растекания сильно уменьшится. Многие современные матрицы, выпускаемые по новым технологиям, имеют антиблюмминг, что является одним из составляющих системы компенсации заднего света.

Стабильность и фотометрическая точность.

Даже наиболее чувствительные ПЗС-видеокамеры бесполезны для применения в условиях низкого освещения, если они имеют нестабильную чувствительность. Стабильность - неотъемлемое свойство ПЗС как твердотельного прибора. Здесь, прежде всего, имеется ввиду стабильность чувствительности во времени. Временная стабильность проверяется по измерениям потоков от специальных стабилизированных источников излучения. Она определяется стабильностью квантового выхода самой матрицы и стабильностью работы электронной системы считывания, усиления и регистрации сигнала. Эта результирующая стабильность работы видеокамеры является основным параметром при определении фотометрической точности, т.е. точности измерения регистрируемого светового сигнала.

Для хороших образцов матриц и качественной электронной системы фотометрическая точность может достигать 0,4 - 0,5%, а в некоторых случаях, при оптимальных условиях работы матрицы и применении специальных методов обработки сигнала, - 0.02%. Результирующая фотометрическая точность определяется несколькими основными составляющими:

временной нестабильностью системы в целом;
пространственной неоднородностью чувствительности и, прежде всего, неоднородностью высокочастотной (т.е. от пиксела к пикселу);
величиной квантовой эффективности видеокамеры;
точностью оцифровки видеосигнала для цифровых видеокамер;
величиной шумов разных типов.

Даже если ПЗС-матрица имеет большие неоднородности в чувствительности, их влияние на результирующую фотометрическую точность может быть снижено специальными методами обработки сигнала, если конечно эти неоднородности стабильны во времени. С другой стороны, если матрица обладает высокой квантовой эффективностью, но нестабильность которой велика, результирующая точность регистрации полезного сигнала будет низкой. В этом смысле для нестабильно работающих приборов точность регистрации полезного сигнала (или фотометрическая точность) является более важной характеристикой, чем характеристика отношения сигнал/шум.

ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ (ПЗС) - интегральная схема , представляющая собой совокупность МДП-структур , сформированных на общей полупроводниковой подложке т. о., что полоски электродов образуют линейную или матричную регулярную структуру. Расстояния между соседними электродами столь малы, что существенным становится их взаимовлияние вследствие перекрытия областей пространственного вблизи краёв соседних электродов (рис. 1).

Рис. 1. Структура прибора с зарядовой связью (фрагмент): 1 - кристалл кремния; 2 - вход - выход; з - металлические электроды; 4 - .

Изобретён У. Бойлом (W. Boyle) и Дж. Смитом (G. Smith) в 1969. В ПЗС осуществляется направленная передача зарядов от электрода к электроду путём манипуляции электрич. на этих электродах. Заряды в ПЗС вводятся электрич. (инжекцией) или фотоэлектрич. способами. Осн. функциональные назначения фото-чувствит. ПЗС - преобразование оптич. изображений в последовательность электрич. импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации. Используются термины "прибор с переносом заряда" (ППЗ) и "фоточувствит. прибор с зарядовой связью" (ФПЗС). ПЗС изготовляют на основе монокристаллич. кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термич. окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрич. плёнка диоксида кремния. Этот процесс осуществляется т. о., чтобы обеспечить совершенство границы раздела - диэлектрик и мин. концентрацию рекомбинац. центров на границе. Электроды отд. МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП-элементов 500-2000 в линейном и в матричном ПЗС; площадь пластины Под крайними электродами каждой строки изготовляют p - n - переходы , предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом ( p - n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегиров. поликристаллич. кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-облас-тях спектра.

Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рис. 2. В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к

электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения U xp , оттесняющее осн. носители - дырки в случае кремния р-типа - в глубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенц. ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенц. ямы, локализуются в тонком (0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4 , 7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.

Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела (темновой ток) эти заряды будут накапливаться в потенц. ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и т. д. прикладывается т. н. напряжение считывания, более высокое, чем напряжение хранения . Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. ямы, чем под электронами 1, 4 и 7 , и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5 , 7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенц. ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до а с электродов 1, 4, 7 снимается.

Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам илиподдерживается небольшое напряжение смещения(1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней реком-бинац. эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний r - h-переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данногв пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, к-рый после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрич. импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение. При небольшом числе переносов увеличиваются ре-комбинац. потери, происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему и усиливаются обусловленные этим искажением информации. Чтобы избежать искажений накопленного видеосигнала из-за продолжающегося во время переноса освещения, на кристалле ФПЗС создают пространственно разделённые области восприятия - накопления и хранения - считывания, причём в первых обеспечивают макс. фоточувствительность, а вторые, наоборот, экранируют от света. В линейном ФПЗС (рис. 3, а) заряды, накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из чётных элементов) и в регистр 3 (из нечётных). В то время, как по этим регистрам информация передаётся через выход 4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр. В ФПЗС с кадровым переносом (рис. 3, б )информация, воспринятая матрицей накопления 7, быстро "сбрасывается" в матрицу хранения 2 , из к-рой последовательно считывается ПЗС-регистром 3; в это же время матрица 1 накапливает новый кадр.

Осн. параметры ПЗС: амплитуды управляющих импульсов 5-20 В), относит. потери заряда при одном переносе макс. тактовая частота (= 10-100 МГц), макс. и мин. зарядового пакета (50

Ди-намич. диапазон (D = 20 lg 60-80 дБ), плотность темнового тока Для характеристики ФПЗС кроме перечисленных выше параметров указываются спектральный диапазон (Dl = 0,4-1,1 мкм), фоточувствительность (= 0,1-0,5 А/Вт), макс. и мин. экспозиции

разрешающая способность (r = 10-50 линий/мм). Кроме ПЗС простейшей структуры (рис. 1) получили распространение и др. их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами (рис. 4, а), в к-рых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами, и приборы с асимметрией приповерхностных свойств (напр., слоем диэлектрика перем. толщины - рис. 4, б) , работающие в двухтакто-вом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объёмным каналом (рис. 4, в), образованным примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объёме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинац. центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значенияи уменьшение e по сравнению со всеми разновидностями ПЗС с поверхностным каналом.

Для восприятия изображений в ИК-области спектра развиваются три направления: легирование кремния примесями (In, Ga, Те и др.) и использование примесного ; разработка ФПЗС на узкозонных полупроводниковых соединениях (напр., на In, Sb для диапазона Dl = 3-5 мкм); создание гибридных структур, сочетающих фоточувствит. мишень, напр. на кристалле HgCdTe, и кремниевые ПЗС-регистры, обеспечивающие считывание информации, накапливаемой в мишени.

Осн. отличит, особенностью ПЗС как изделия микроэлектроники является возможность вводить в кристалл и хранить без искажения большие массивы цифровой (в т. ч. многоуровневой) или аналоговой информации, использовать электрич. и оптич. способы для ввода информации, осуществлять направленное распространение (в т. ч. циркуляцию) информации в кристалле и неразрушающий доступ к ней, проводить как последовательный, так и параллельный принцип обработки информации. От вакуумных приёмников изображений (видиконов )ФПЗС, кроме того, отличается жёстким геом. растром, позволяющим фиксировать координаты элементов разложения и исключить дисторсию и др. искажения растра, долговечностью, меньшей потребляемой мощностью, отсутствием микрофонного эффекта и выгорания под действием сильной засветки, нечувствительностью к магн. и электрич. полям.

Осн. применение ПЗС находят в качестве безвакуумного твердотельного аналога видикона для восприятия и обработки видеоинформации в телевидении, устройствах техн. зрения, видеокамерах, электронных фотоаппаратах. Значительно меньше ПЗС используют в цифровой технике в качестве запоминающих устройств, регистров, арифметико-логич. устройств (см. Логические схемы, Памяти устройства )и в аналоговой технике в качестве , фильтров и т. п.

Лит.: Секен К., Томсет М., Приборы с переносом заряда, пер. с англ., М., 1978; Носов Ю. Р., Шилин В. А., Основы приборов с зарядовой связью, М., 1986; Пресс Ф. П., Фоточувствительные микросхемы с зарядовой связью, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Электроника, т. 18, М., 1986. Ю. Р. Носов .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

На следующем такте на электродах устанавливаются напряжения в соответствии с рис.2,в и начинается фаза хранения зарядовой информации в элементах 2, 5, 8.

(1)

Зависимости ц(QP) для разные значений напряжений затвора приведены на рис.4.

ц=(U"3-QP/Cд)(1+x), (2)

где х=0,1--0,2 -- линеаризованный коэффициент подложки.

Рис.4. Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного в потенциальной яме заряда при разных напр я жениях затвора:

N д =5-10 14 см -3 , U o =3.8 В.

QPM = Сд (U3, -- U0) (3)

Обычно QPM= (1--5) 10-3 пКл/мкм2.

Рис. 6. Схема передачи заряда в ПЗС

Рис .7. Зависимость минимальной амплитуды импульса записи от напряжения хранения (а), длины зазора (б) и концентрации примеси в подложке (в).

где L -- длина затворов (электродов) ПЗС;

мрэ--поверхностная эффективная подвижность.

= QРППЗС2/ QРП ПЗС1 = 0,99-0,9999,

где QPП -- полный заряд в одной ячейке.

Рис.9. Эпюры распределения Qp ( y ) в различные моменты процесса передачи

Рис.10. Зависимости коэффициента потерь е 1 от времени передачи для ПЗС с ра з ной длиной электродов.

Рассмотрим подробнее захват носителей поверхностными ловушками. Если, например, в ПЗС1 поступает информационный пакет, то часть дырок захватывается

(5)

QPП = qHизиtи?Aэ, (6)

3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике

Рис.11. Структурная схема телевизионной передающей системы:

4 Фотоприемные характеристики ПЗС

Rмакс=1/LЭ. (7)

5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС

Рис.13. Организация строчного ФСИ с отдельными светочувствительной и п е редающей областями:

1 - электроды светочувствительной области; 2 - передающие электроды: 3 - связывающие электроды; 4 - двухразрядный сдвиговый регистр; 5 - выхо д ная схема считывания

Рис.14. Импульсная диаграмма сигн а лов на выходе строчного ФСИ

6 Матричные (плоскостные) ФСИ

Рис.15. ФСИ с кадровой о р ганизацией:

1 - каналоограничивающая диффузионная область; 2 - оптическая секция; 3 - элемент изображения; 4 - секция хранения; 5 - выход видеосигнала; 6 - выходной затвор

Подобные документы

2 Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью

3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике

4 Фотоприемные характеристики ПЗС

5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС

6 Матричные (плоскостные) ФСИ

7 Перспективы развития ФСИ на ПЗС

Литература

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ - ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЗС.

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ -
ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЗС.