Содержание
1 Общие сведения оприборе с зарядовой связью (ПЗС)
2 Физические основыработы и конструкции приборов с зарядовой связью
3 Приборы с зарядовойсвязью в оптоэлектронике
4 Фотоприемныехарактеристики ПЗС
5 Строчные (линейные) ФСИна ПЗС
6 Матричные (плоскостные)ФСИ
7 Перспективы развитияФСИ на ПЗС
Литература
1 Общие сведения оприборе с зарядовой связью (ПЗС)
Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простыхМДП-структур (металл — диэлектрик— полупроводник), сформированные на общейполупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродовобразуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния междусоседними электродами достаточно малы (рис.1). Это обстоятельство обусловливаеттот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседнихМДП-структур [1—3].
/>
Рис.1.Структура ПЗС
Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к любомуметаллическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение*), то под действиемвозникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке,уходят от поверхности в глубь полупроводника. У поверхности же образуетсяобедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собойпотенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Попадающие каким-либообразом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик —полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.
Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжениебольшей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дыркипереходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющиенапряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иныхприповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдольповерхности (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 нарис.1.). Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняяинформация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакетыподвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностныхобластях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этихпакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые ианалоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствиязаряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело свеличинами перемещающихся зарядов.
Естественно, что заряд, введенный в МДП-структуру, не можетхраниться в ней неограниченно долго. Процесс термогенерации электронно-дырочныхпар в объеме полупроводника и на границе раздела диэлектрик — полупроводникведет к накоплению в потенциальных ямах паразитных зарядов и, следовательно, кискажению зарядовой информации, а с течением времени и к полному ее «стиранию».Это время может достигать сотен миллисекунд и даже десятков секунд, но, тем не менее,оно конечно и определяет существование нижней граничной частотьг. Такимобразом, работа прибора основана на нестационарном состоянии МДП-структуры, иПЗС являются элементами динамического типа.
Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд оченьинтересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов.
К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относятся возможностьхранения, зарядовой информации; возможность направленной передачи зарядов вдольповерхности полупроводникового кристалла; возможность преобразования световогопотока в электрический заряд и последующего его считывания (сканирования).Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность (5—10 мкВт/бит в режимепередачи информации и практически полное отсутствие затрат энергии в режимехранения), что обусловлено МДП-структурой этих устройств. Простота конфигурациии регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этихприборов может быть очень высоким (у специально сконструированных образцовпредельные тактовые частоты лежат в гигагерцевом диапазоне).
Пожалуй, еще более важными являются конструктивно-технологическиедостоинства ПЗС, основными из которых являются технологическая ясность ипростота (малое число фотолитографических, термодиффузионных и эпитаксиальныхпроцессов при изготовлении прибора) — обязательное условие при создании качественныхмногоэлементных (с числом элементов 104—106) устройств; высокая степеньинтеграции (превышающая 105 элементов на одном кристалле) и высокая плотностьупаковки (более 105 бит/см2); малое количество внешних выводов, что является определяющимпри построении высоконадежных систем; отсутствие p-n-переходов(немногочисленные p-n-переходыПЗС выполняют «подсобные» функции и к ним предъявляются достаточно «слабые»требования), что, в частности, открывает широкие возможности для использованиянаряду с кремнием других полупроводниковых материалов (например, арсенидагаллия).
Все эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразныхприменений ПЗС.
Для цифровой техники интересны сдвиговые регистры, оперативные запоминающиеустройства, логические схемы. Линии задержки аналоговых сигналов на ПЗС потехническим характеристикам значительно превосходят свои акустические имагнитные аналоги.
В оптоэлектронной технике преобразования изображений ПЗС открываютпринципиальные новые возможности для создания безвакуумных полупроводниковыхформирователей видеосигналов. Присущее им самосканирование позволяет избавитьсяот громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированиемэлектронным лучом. ПЗС являются уникальными аналогами ЭЛТ, позволяющимиодновременно с уменьшением массы, габаритных размеров, потребляемой мощностиповысить надежность и качество формирователей видеосигналов. Дополнительноедостоинство фотоприемников на основе ПЗС заключается в принципиальнойвозможности использовать разнообразные полупроводниковые материалы, что позволитперекрыть широкую область электромагнитного спектра (включая и ИК область).
Создание передающих телевизионных камер на основе ПЗС приведет вбудущем не только к оснащению техники надежным «электронным глазом» (отметим,что в проекте создания средств искусственного зрения для человека ориентацияделается также на ПЗС), но и к действительно широкому использованию средствтелевидения в быту.
Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световойпоток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерацияэлектронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяютсяи в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемогозаряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени(порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, вматрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующаяраспределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакетыбудут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их вэлектрические сигналы. В результате на выходе получится последовательностьимпульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.
На этой основе создаются, учитывающие устройства для фототелеграфа,а также, передающие камеры (вплоть до камер полноформатного цветноготелевидения). В будущем ПЗС найдут применение в качестве удобных матричных фотоприемниковв сверхпроизводительных оптоэлектронных вычислительных машинах с параллельнойобработкой информации.
Появление ПЗС (1969 г.) явилось результатом исследований в областифизики и технологии МДП-приборов. Разработка этого нового направленияполупроводниковой техники занимаются многие научные коллективы в разных странахмира 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 информации1—5 МГц; на базе кристаллов емкостью 16 К (килобит) сконструировано ЗУ емкостью1 Мбит с блочной выборкой по 256 бит. Разработана широкополосная линия задержкианалоговых сигналов емкостью 128 разрядов, предназначенная для использования всистемах цветного телевидения; опробован коррелятор на ПЗС, позволяющийодновременно обрабатывать 40 000 дискретных значений сигнала с общейпогрешностью менее 1%.
Имеются многочисленные сообщения о начале промышленного выпускарядом фирм США (в первую очередь Bell и RCA) передающих телекамер с числом элементовразложения 200X200 и 500×500.
В то же время нельзя не заметить, что на пути широкогоиспользования ПЗС стоит еще много нерешенных проблем — и в первую очередьтехнологическая: проколы диэлектрической пленки и закоротки электродных шин всееще не позволяют уверенно с высоким процентом выхода получать бездефектные ПЗСдостаточно большой информационной емкости. Важнейшей технологической проблемойсоздания больших ПЗС с однослойной металлизацией является проблема полученияузких (2—3 мкм) зазоров между электродами; основной технологический брак втаких структурах — закоротки. В структурах с многослойными кремниевымизатворами трудно получить высококачественный изолирующий диэлектрик между всемиуровнями поликремния.
В заключение хотелось бы отметить, что создание устройств наприборах с зарядовой связью, в особенности оптоэлектронных, является важнымэтапом в развитии больших интегральных схем и одним из первых реальных шагов попути к функциональной микроэлектронике. 2 Физическиеосновы работы и конструкции приборов с зарядовой связью
Динамику перемещения зарядовых пакетов в ПЗС проследим на примеретрехкратного сдвигового регистра (рис.2).
В этой схеме каждый третий электрод подключается к соответствующейшине тактовых импульсов. В исходном состоянии (рис.2, а) под напряжениемхранения
/>
Рис.2.Схема трехтактного сдвигового регистра на ПЗС:
а — хранение информации в элементах 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 отПЗС1 (строго говоря, в данном случае следует использовать термин «ПЗС-элемент»или «МДП-структура», так как речь идет об одном элементе прибора с зарядовойсвязью. Однако для сокращения здесь и в дальнейшем (если из контекста ясно, чторечь 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 храненияинформации:а — в первый момент после включения; б — в стационарном состоянии; 1 — металл; 2— диэлектрик; 3 — обедненная область; 4 — нейтральная областьполупроводника.
На следующем такте на электродах устанавливаются напряжения всоответствии с рис.2, в и начинается фаза хранения зарядовой информации вэлементах 2, 5, 8.
Таким образом, для ПЗС характерны два режима работы: хранение ипередача зарядовых пакетов. В режиме хранения ПЗС эквивалентен МДП-емкости.Зонная диаграмма поверхности полупроводника для режима хранения приведена нарис.3, а. Величина поверхностного потенциала, характеризующая изгиб зон иглубину потенциальной ямы, в начальный момент максимальна. При инжекции пакетадырок их положительный заряд экранирует подложку от поля, в результате чегопроисходит перераспределение внешнего напряжения: увеличивается часть напряжения,падающего на слое диэлектрика, поверхностный потенциал уменьшается (по абсолютнойвеличине), и обедненная область сужается. С течением времени потенциальная ямазаполняется до насыщения термогенерируемыми дырками и у поверхности образуетсястационарный инверсный слой (рис.3, б). Величина поверхностного потенциалауменьшается (по абсолютной величине) до потенциала инверсии поверхностиполупроводника φ0
В нестационарном состоянии поверхностный потенциал φ зависитот напряжения на затворе U3, плотности (на единицу поверхности) заряда дырок Qp и от электрофизическиххарактеристик диэлектрической пленки и подложки:
/> (1)
где U’3 = U3 — UП3 = U3 — Uo — φ0 + UВ- напряжение плоских зон; /> — коэффициент подложки; UB = BOC />; Сд = εдε0хд — удельная емкостьдиэлектрика затвора толщиной хд. В (1) и последующих выражениях используютсяабсолютные значения потенциалов и зарядов, что делает их применимыми для р- и n-канальных ПЗС.
Зависимости φ(QP) для разные значений напряжений затвораприведены на рис.4.
При увеличении заряда дырок Qp от нуля до стационарногозначения поверхностный потенциал уменьшается по абсолютной величине допотенциала 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 ямупри заданном напряжении U3, определяется из (1) при условии насыщения потенциальной ямы, т. е.при φ=φ0,
/>
Рис.4.Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного впотенциальной яме заряда при разных напряжениях затвора:
Nд=5-1014 см-3, Uo=3.8 В.
/>
Рис.5.Зависимость QPΣ= QP+ QPпарот времени хранения дляразличных значений информационногозаряда QP.Штриховойлинией показаны составляющие заряды, накопленные за счет генерации в обедненнойобласти (1) и на поверхности (2); Qp=0 (3); Qp/Сд= 3В (4).
QPM = Сд (U3, — U0) (3)
Обычно QPM= (1—5) 10-3 пКл/мкм2.
Наглядным представлением потенциальной ямы ПЗС может служитьпрямоугольный сосуд с жидкостью. Максимальная глубина потенциальной ямы соответствуетвысоте пустого сосуда; но мере заполнения сосуда жидкостью его эффективнаяглубина уменьшается. Допустимое время хранения заряда определяется процессами,приводящими к накоплению паразитного заряда QP. В основном этотермогенерация электронно-дырочных пар в обедненном слое и на поверхности, атакже до некоторой степени диффузия неосновных носителей из объемной нейтральнойобласти.
Расчет показывает, что при малых значениях накапливаемогопаразитного заряда QP его зависимость от времени близка к линейной, в дальнейшем кривыестановятся сублинейными, приближаясь к постоянному значению QPM, определяемому соотношением(3).
На рис.5 приведены расчетные кривые для U3 = 10 В, Nд=5·1014 см-3, U0=3,8 В, тепловаяскорость υт=107 см/с, сечение захвата σv = 2,2-10-16 см2,плотность объемных центров Nоб=l,8·1014 см-3, плотность поверхностных центров Nпов=6·1010 см-2. При этихпараметрах и при QP = 0 время накопления паразитного заряда, составляющего 1 % от QpM, равно 20 мс (длямногоэлементных ПЗС, и в особенности для аналоговых устройств, большеенакопление паразитного заряда недопустимо).
Максимальное время хранения можно определить и экспериментально, измериввремя релаксации МДП-емкости, сформированной в тех же условиях, что и ПЗС, ивключаемой таким же импульсом напряжения. Приближенно время накопленияпаразитного заряда, равного по величине информационному, на порядок меньше временирелаксации МДП-емкости. Опыт показывает, что в зависимости от качестваобработки поверхности кремния и совершенства структуры подложки время релаксациилежит в пределах 1—60 с и соответственно время накопления паразитного зарядасоставляет 0,1— 6 с. Задаваясь требуемым соотношением между величинамиинформационного и паразитного зарядов, нетрудно рассчитать максимальное времяхранения информации в ПЗС. При соотношении 100: 1 это время составляет десяткимиллисекунд.
Еще раз отметим, что процессы накопления паразитного зарядаопределяют максимальное время хранения и минимальную частоту работы цифровых ианалоговые устройств на ПЗС, а также темновые токи в фотоприемных ПЗС. Передачазаряда из элемента в элемент осуществляется приложением к соседнему электродубольшего по амплитуде напряжения записи Uзап (рис.6). В зазоремежду электродами (обозначим его длину через l) возникает тянущее поле,под действием которого дырки перетекают в более глубокую потенциальную яму.
/>
Рис.6.Схема передачи заряда в ПЗС
По мере перетекания зарядов поверхностный потенциал в ПЗС1увеличивается (по абсолютной величине), а в ПЗС2 уменьшается, в результате чегополе в зазоре уменьшается.
Очевидно, что напряжение записи Uзап должно превышатьнапряжение хранения Uхр тем значительнее, чем больше расстояние между электродами и чемсильнее легирована кремниевая подложка (рис.7). Из рисунка видно, чтопрактически 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) вдругой (ПЗС2) (рис.6). В режиме хранения к ПЗС1 приложен потенциал UXP, к ПЗС2 — нулевойпотенциал. Заряд дырок плотностью Qp равномерно локализован вПЗС1. После приложения к ПЗС2 потенциала записи Uзап>Uхр в зазоре между ячейкамиустанавливается тянущее поле, причем обычно напряженность его столь высока, чтодырки, находящиеся вблизи левой границы ПЗС1, практически мгновенно переходят вПЗС2. Концентрация дырок вблизи правой границы ПЗС2 очень быстро спадает донуля (т. е. поле зазора действует аналогично полю обратного смещенногоколлекторного p-n-перехода в транзисторе).Резкое изменение равномерности распределения дырок в ПЗС1 вызывает ихинтенсивный дрейф и диффузию внутри потенциальной ямы слева на право. Еслиположить 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 оттого, какой коэффициент эффективности передачи /> требуется получить. Обычно длямногоэлементных 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 дляприборов с параметрами: L=6мкм, μрэ=180 см2/В·с;численный расчет; _приближенное аналитическое решение.
По мере перетекания заряда из ПЗС1 в ПЗО2 концентрация дырок вПЗС1, а следовательно, и дрейфовая составляющая тока уменьшаются и процесс передачи,определяемый только диффузией, замедляется -«хвост» переходного процесса всегдаболее затянут по сравнению с начальной фазой (рис.8). Чем больше начальнаяплотность заряда Qp, тем большая его часть «вытечет» за время первой быстрой стадии итем меньше (при заданном допустимом значении />) будет время передачи tпер. Эпюры распределенияплотности Заряда дырок в различные моменты времени представлены на рис.9. Черезлевую границу ПЗС1 потока дырок нет, поэтому на графиках рис.9 в любой момент времениградиент концентрации дырок в этой точке равен нулю.
/>
Рис.9.Эпюры распределения Qp(y) в различные моментыпроцесса передачи
Наглядной аналогией процесса передачи заряда является вытеканиевязкой жидкости из прямоугольного сосуда, торцевая стенка которого(соответствующая правой границе потенциальной ямы ПЗС) отодвинута так же, как ив ПЗС, чем больше начальный уровень жидкости, тем быстрее выльется заданная еечасть.
/>
Рис.10.Зависимости коэффициента потерь ε1от времени передачи дляПЗС с разной 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 считалиполностью сосредоточенным в зазоре) в область ПЗС1, что оказывает определяющеевлияние на перетекание оставшейся части зарядового пакета.
Рассмотрим важнейшую характеристику ПЗС — эффективность передачизаряда />, представляющуюсобой часть заряда дырок, перешедшую из ПЗС1 в ПЗС2 за время передачи. Призаданном допустимом уменьшении ^зарядового пакета значение /> определяет максимальноеколичество элементов, через которое информация может быть передана безвосстановления. Часто оказывается удобнее использовать понятие потери(неэффективности) передачи ε =1—/>. При конечном времени передачипотери заряда обусловлены, во-первых, тем, что за t=tnep часть заряда ε1 простоне успевает перетечь в соседнюю ячейку и, во-вторых, захватом части носителей ε2поверхностными ловушками. Составляющая ε1 определяет потери передачи навысоких частотах, ε2—на низких и средних частотах работы.
Рассмотрим подробнее захват носителей поверхностными ловушками.Если, например, в ПЗС1 поступает информационный пакет, то часть дырокзахватывается
границей раздела диэлектрик — полупроводник. На следующем тактезарядовый пакет перетекает в ПЗС2, равновесие между инверсным слоем иповерхностными ловушками нарушается, и они начинают разряжаться. Те носители,которые освобождаются ловушками за t=tnep, успевают вернуться в зарядовый пакет, остальныеобразуют потери передачи ε2. Потери ε2зависят не только от плотностиповерхностных ловушек и величины зарядового пакета, но и от характерапредшествующей зарядовой информации, передаваемой через данный элемент. Еслипередается серия логических 1 (которой соответствуют большие зарядовые пакеты),то потери ε2 будут максимальны в первом зарядовом пакете и будутуменьшаться в последующих, так как часть ловушек, захвативших заряды от первогопакета, не успеет разрядиться к приходу следующего и эти ловушки не будутучаствовать в захвате носителей. Наихудшим случаем с точки зрения потерь ε2является передача чередующейся последовательности логических 1 и 0. В этомслучае выражение для ε2 имеет вид:
/> (5)
где Nл — плотность поверхностных ловушек; т = 2, 3… — количествоуправляющих тактов; Сд(U3—U0) — величина зарядового пакета. В типичных структурах ε2=(2—3)10-3 и в первом приближении не зависит от тактовой частоты.
Влияние поверхностных состояний может быть уменьшено, если вцепочку ПЗС (в каждый зарядовый пакет) ввести некоторый фоновый заряд,заполняющий поверхностные ловушки. В результате потери информационного зарядапри передаче уменьшаются. Неполное устранение влияния ловушек объясняется рядомпричин, главными из которых являются краевой эффект и захват носителей нетолько при хранении, но и во время протекания зарядового пакета через ПЗС изазор.
Краевой эффект возникает из-за двумерности распределенияэлектрического поля в реальных ПЗС, что делает потенциальные ямы непрямоугольными, а закругленными. Следовательно, площадь поверхности занимаемаяпакетом, 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 исмогут 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. Обусловленнаяэтим неэффективность составляет (2—3) 10-4. Таким образом, введение фоновогозаряда не позволяет выполнить условие ε2→0, но в несколько разуменьшает потери передачи, обусловленные захватом носителей поверхностнымиловушками.
В заключение рассмотрим фоточувствительность ПЗС. Одним изфакторов, определяющих фоточувствительность, является коэффициент поглощения , который характеризуетинтенсивность поглощения фотонов (с образованием электронно-дырочных пар).Коэффициент поглощения резко уменьшается при увеличении длины волны l падающегосвета. Поэтому область длин волн, в которой осуществляется эффективноепреобразование светового потока в информационные заряды (называемая областьюспектральной чувствительности) ограничена. Длинноволновая граница определяетсяшириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм.Коротковолновая граница составляет 0,4—0,5 мкм и обусловлена сильным поглощениемкоротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое, в котороминтенсивно происходит рекомбинация фотогенерируемых носителей.
Если считать, что все возбужденные носители собираются ПЗС, то зарядныйпакет Qpn, накапливаемый за время генерации (интегрирования) ta под действием световогопотока Нш, может быть рассчитан по следующему приближенному выражению:
QPП = qHизθtи·Aэ, (6)
где θ — квантовый выход; Аэ — часть площади элемента, воспринимающаясвет. Для ПЗС θ=1, этому соответствует фоточувствительность порядка 500 мкА/лм.Пороговая чувствительность, при которой сигнал превышает шумы примерно в 2раза, составляет для ПЗС около 10-4 лк·с. Фотоприемное устройство на ПЗС можноосвещать со стороны затворов (электродов) или с обратном стоны. 3 Приборыс зарядовой связью в оптоэлектронике
Одним из важнейших направлений развития оптоэлектроники являетсясоздание телевизионной системы на базе интегральных схем, начиная от передающейсистемы и кончая экраном.
Основой телевизионной передающей системы (рис.11) являетсяформирователь сигналов изображений (ФСИ), называемый также формирователемвидеосигналов (ФВС). ФСИ преобразует изображение в адекватную емупоследовательность электрических импульсов. Большинство телевизионныхпередающих камер основано на использовании видикона, представляющего собойэлектронно-лучевую трубку (ЭЛТ), на торцевую поверхность которой нанесенамишень в виде слоя высокоомного фотопроводника. Сканирование осуществляетсяэлектронным лучом.
Передаваемое изображение с помощью объектива проецируется намишень, отдельные участки которой заряжены электронным лучом до определенногопотенциала. Сопротивление каждого участка фотопроводящего слоя зависит от его освещенности.Поэтому в интервале между двумя последовательными подзарядками участки сразличной освещенностью разряжаются по-разному и при последующем сканированииток электронного луча, создающий видеосигнал, изменяется в соответствии сизображением.
/>
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
Основной недостаток видиконов (а также их разновидностей:плюмбиконов, кремниконов и т. д.) связан с необходимостью использоватьвысоковольтные вакуумные системы. Это обусловливает низкие долговечность и надежностьустройств, значительные габаритные размеры и массу, невысокую механическуюпрочность и другие недостатки, присущие всем вакуумным приборам.
При создании твердотельных формирователей сигналов изображений дляобеспечения сканирования пытаются использовать (но пока безуспешно) различныефизические эффекты: эффект Суля, дрейф неосновных носителей заряда, движениедоменов сильного поля и др.
Формирователи сигналов изображений на ПЗС по сравнению с ЭЛТразличного устройства характеризуются конструктивной и технологическойпростотой, малыми габаритными размерами и массой, значительной долговечностью инадежностью и малой потребляемой мощностью. Эти преимущества обусловленысамосканированием (передача зарядовых пакетов на выход ФСИ осуществляется спомощью самих ПЗС-элементов). Имение это конструктивно-технологическоеинтегрирование функций фоточувствительных и сканирующих элементов в одномприборе позволяет считать ПЗС наиболее перспективными для создания полностьютвердотельных ФСИ. 4 Фотоприемные характеристики ПЗС
ПЗС-элементы в формирователе сигналов изображений работают в трехрежимах: восприятие (интегрирование) изображения, т. е. преобразованиесветового потока в зарядовые пакеты; хранение зарядовых пакетов; передача (сканирование)зарядовых пакетов на выход устройства. В режиме восприятия изображений световойпоток от объекта падает на поверхность ФСИ и вызывает генерациюэлектронно-дырочных пар в полупроводниковой подложке. В областях кристалла,соответствующих потенциальным ямам ПЗС, носители разделяются, в результате чегов ФСИ накапливается «картина» зарядовых пакетов, соответствующаявоспринимаемому образу.
Основными фотоприемными характеристиками ФСИ являютсясветочувствительность, пороговая светочувствительность, область спектральнойчувствительности, 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 ФСИбез их слияния в одно целое. Очевидно, что в ПЗС максимальная разрешающаяспособность 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. Минимальнымзначением L= 3 мкм и l=3мкм соответствует разрешающая способность Rмакс≈50 линий/мм.Под разрешающей способностью иногда также понимают общее количество элементовизображения, воспринимаемых всем ФСИ (например, 500×500 элементов).
Реальная разрешающая способность ПЗС ниже рассчитанной по формуле(4). При малых уровнях освещенности в светочувствительных ПЗС-элементахнакапливаются малые зарядовые пакеты и большую роль начинают играть шумы. Вэтом случае минимальный размер светочувствительного элемента определяется нетехнологией, а условием получения требуемого отношения сигнал/шум ks/N = 3-5.
Шумы в ПЗС можно разделить на две группы: шумы, обусловленныепроцессом восприятия изображения, и шумы, связанные с режимом передачизарядовых пакетов. К первой группе относятся белый шум в потоке падающихфотонов (флюктуации плотности потока) и флюктуации фонового заряда.
Шумы фонового заряда зависят от способа его введения. Если фоновыйзаряд накоплен за счет термогенерации, то его флюктуации характеризуются белымшумом. К шумам, возникающим при сканировании, относятся шумы, обусловленныенеполной передачей зарядов, и шумы, обусловленные захватом носителей иперезарядом быстрых поверхностных состояний при прохождении зарядовых пакетов. Ещеодним возможным источником шумов является выходной усилитель фотосигналов(Сус).Шумыэтого вида являются основным фактором, ограничивающим разрешающую способность вкремниконах, так как при их использовании усилитель выполнен на отдельномкристалле и за счет этого его входная емкость достигает 10—20 пФ. В ФСИ на ПЗСвыходной усилитель может быть сформирован а том же кристалле (что исключаетмонтажные емкости и емкость корпуса), и его входная емкость складывается иземкости «плавающей» диффузионной области и емкости затвора МДП-транзистора. Вэтом случае Сус = 0,2—0,5 пФ и поэтому шумы, связанные с выходным усилителем,незначительны.
Разрешающая способность ПЗС при низких уровнях освещенностиограничена главным образом шумами в фоновом заряде и шумами процесса захватаносителей. Зависимости рис.12 показывают, что разрешающая способностьограничена шумами при Hизtи
/>
Рис.12.Расчетная зависимость разрешающей способности ФСИ на ПЗС емкостью 500X500элементов от уровня освещенности при разных источниках шумов:1 — неполная передача зарядов; 2 -быстрые поверхностныесостояния; 3 — тепловой шум в фоновом заряде; 4 — экспериментальная кривая длякремнекона Аъ=25X25 мкм2, Сиз=0,2. tи=0.1 с, kS/N=5
Минимальная площадь одного элемента значительно превышаетминимальную «технологическую» и составляет около Аэ≈400 мкм2. Выше уровня109 см2 разрешающая способность определяется минимальными геометрическимиразмерами светочувствительных элементов. Приведенная на этом же рисункеэкспериментальная кривая для кремнекона наглядно демонстрирует преимущество ПЗСпри низких уровнях освещенности.
Реальное изображение характеризуется непостоянным потоком Низ(у, z) в плоскости ФСИ. За счетискажений, вносимых ФСИ в процесс преобразования светового потока в «картину»зарядовых пакетов и последующего сканирования зарядов на выход, минимальныйразмер элемента передаваемого изображения будет больше размера ПЗС-элемента,определяемого шумами или технологией.
Для объективной оценки разрешающей способности ФСИ используетсячастотно-контрастная характеристика (ЧКХ)( MTF(madulation transfer function).), описывающаяизменение амплитуды светового сигнала и сдвиг по пространственной фазе навыходе системы (например, на экране телевизионного приемника) при изменениипространственной частоты входного гармонического сигнала. Любое реальноеизображение Hизможет быть разложено в ряд Фурье по пространственным частотам. Так какамплитуды и фазы отдельных гармоник будут искажаться по-разному, то на выходесистемы получится искаженное изображение. Поэтому с помощью ЧКХ можно определитьискажения, вносимые ФСИ при передаче реального изображения.Частотно-контрастная характеристика определяет передающую систему с точкизрения качественности передачи информации от объекта до наблюдателя. Различныеустройства (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 вэлектронных системах являются амплитудно-частотная и фазочастотнаяхарактеристики. Изменение ЧКХ происходит вследствие действия трех факторов:дискретности расположения светочувствительных элементов (изменяющийся впределах одного элемента световой сигнал представляется усредненным зарядовымпакетом); диффузионного расплывания фотогенерируемых носителей под соседниеэлементы; потерь зарядов при их переносе.
ЧКХ формирователя сигналов изображений на ПЗС определяетсясовместным действием всех трех факторов. Поскольку эти факторы являютсянезависимыми, то для получения ЧКХ необходимо перемножить амплитуды и сложитьфазы, обусловленные разными эффектами.
Ранее уже отмечалось, что реальное изображение можно разложить вряд Фурье по пространственным частотам. При передаче через ФСИ гармоники сбольшей пространственной частотой будут иметь большее затухание по амплитуде ибольший фазовый сдвиг, т. е. будут сильнее искажаться по сравнению снизкочастотными. Задаваясь определенным уровнем искажений (по амплитуде и пофазе) и используя ЧКХ, можно определить реальную разрешающую способность ФСИ наПЗС. При А = 0,2 разрешающая способность оказывается в 2—3 раза меньшепредельной Rmax, вычисляемой исходя из размеров ПЗС (4.1), а при А =0,5 — в 3—4раза меньше. Таким образом, реальная разрешающая способность ФСИ на ПЗСоказывается равной 20—30 линий/мм.
Динамический диапазон, определяемый как диапазон значенийосвещенности изображений, который может быть передан без искажений с помощьюФСИ, для ПЗС составляет 1000:1. Нижняя граница этого диапазона определяетсяшумами, а верхняя — насыщением потенциальных ям ПЗС и растеканием зарядов приих переполнении. Если на ФСИ падает сильный световой поток, то за времяинтегрирования потенциальные ямы ПЗС переполняются. Это приводит к двумнежелательным эффектам: во-первых, после заполнения зарядовый пакет,локализованный в потенциальной яме, остается постоянным независимо от уровняосвещенности, во-вторых, избыточные заряды под действием диффузии растекаются всоседние ячейки, искажая хранящуюся в них информацию, В конечном итоге этоприводит к расплыванию передаваемого изображения, для устранения которогоформируют дополнительные обратносмещенные р-n-переходы, собирающие избыточныеносители. 5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС
Широкое распространение получили две разновидности ФСИ на ПЗС:строчные (линейные), воспринимающие за один период интегрирования линиюизображения, и матричные (плоскостные), в которые весь образ записываетсясразу.
Некоторые положения по организации ФСИ являются общими для обоихтипов устройств. Прежде всего должно быть обеспечено два режима работыустройства: восприятие светового потока изображения и последовательный выводзарядовых пакетов к выходу. Используются два принципа: временное илипространственное разделение режимов восприятия и сканирования.
При разделении во времени обе функции ФСИ (восприятие исканирование) выполняются с помощью одних и тех же ПЗС-элементов за счетусложнения схем управления. Во время восприятия светового потока насоответствующих ПЗС (в трехтактной схеме на каждом третьем электроде)устанавливаются потенциалы хранения, обеспечивающие накопление фотогенерируемыхносителей. Все остальные электроды находятся при нулевом потенциале. Послевосприятия оптической информации на электроды подается последовательностьтактовых импульсов, обеспечивающая перемещение зарядовых пакетов информации квыходу.
При разделении обеих функций в пространстве формирователь долженвключать в себя две области: светочувствительную область, которая воспринимаетсветовой поток и преобразует его в картину распределения зарядов, и защищеннуюот света область хранения, в которую после интегрирования передается всякартина распределения зарядов. В следующем затем режиме сканирования информацияиз этой области передается на выход.
В первом методе все элементы используются в качествесветочувствительных ячеек. Использование всей площади кристалла позволяетполучить максимальное разрешение. Недостатком этого метода являетсяусложненение электронного обрамления (управляющих схем), некоторое уменьшениеинтервала времени, отводимого на интегрирование изображения, и влияниезасветки, поскольку за время кадра информация должна быть не только воспринята,но и передана на выход.
Во втором методе для получения той же разрешающей способноститребуется удвоенное количество элементов. Соответственно должна быть увеличенаи площадь кристалла. К достоинствам метода кроме увеличения длительностиинтегрирования (вся продолжительность кадра) относится и то, что сканированиеосуществляется в области, защищенной от света с незначительным искажениеминформации.
Применимость того или иного метода определяется достижимымихарактеристиками ПЗС и, наоборот, требования к параметрам элементовопределяются выбранным методом сканирования. Оба принципа — и временное, ипространственное разделение — нашли достаточно широкое распространение.
Перейдем к рассмотрению возможной организации строчных ФСИ (рис.13).В этом устройстве имеется три области: центральная светочувствительная полоскаПЗС, покрытая прозрачным антиотражающим материалом, и две защищенные от светаобласти передачи зарядовых пакетов, расположенные по обе стороны отсветочувствительной области и связанные с выходным СР. Электроды центральнойобласти 1 находятся под потенциалом хранения Uхр, обеспечивающимнакопление в ПЗС фотогенерируемых зарядов. После восприятия изображения насвязывающие электроды 3 поступают импульсы передачи Фх и зарядовые пакетыпоочередно сдвигаются в правую и в левую передающие области 2 благодарясоответствующему расположению электродов 3. Затем включаются цепи тактовыхимпульсов Ф1, Ф2, Ф3 и заряды последовательно перемещаются к двухразрядному СР.Следующий этап — перевод зарядов в выходную схему считывания наМОП-транзисторах, сформированную на том же кристалле, и превращение их в видеосигнал.
Благодаря наличию двух областей передачи, в которые распределяютсязарядовые пакеты, число переносов уменьшается вдвое. Например, еслисветочувствительная область содержит. 500 воспринимающих электродов, а дляпередачи используется трехтактная система, то каждая передающая область должнасодержать по 250 ПЗС-элементов или 750 электродов (так как в трехтактнойсистеме каждый передающий ПЗС-элемент состоит из трех электродов).Следовательно, число переносов для самой удаленной от выхода точки составит750.
/>
Рис.13.Организация строчного ФСИ с отдельными светочувствительной и передающейобластями:
1- электроды светочувствительной области; 2 — передающие электроды: 3 — связывающиеэлектроды; 4 — двухразрядный сдвиговый регистр; 5 – выходнаясхемасчитывания
Выходная схема считывания состоит из плавающей диффузионнойобласти D,МДП-транзистораT1, восстанавливающегопотенциал этой области, и транзистора Т2, на затвор которого воздействуетизменение потенциала плавающей диффузионной области, пропорциональноепоступившему зарядовому пакету. Транзистор Т2 обычно является входом истоковогоповторителя. Импульсная диаграмма выходных сигналов приведена на рис.14. Втакте Фл, совпадающем по времени с тактом Ф’з, диффузионная область D через восстанавливающийтранзистор 77 заряжается до высокого отрицательного напряжения, равного Е. Затемв такте Ф’з очередной зарядовый пакет поступает на диффузионную область D, вызывая изменение еепотенциала.
/>
Рис.14.Импульсная диаграмма сигналов на выходе строчного ФСИ
При использовании строчных ФСИ развертка изображения по вертикалиосуществляется механическим сканированием с помощью зеркального барабана или качающегосязеркала, которые последовательно направляют полоски изображения на ФСИ.Малогабаритная камера, разработанная на основе строчного ФСИ, обеспечиваетпередачу 8 кадров в секунду, имеет размеры 51X102X76 мм3 и потребляет мощность2,5 Вт.
Строчные ФСИ используются главным образом в фототелеграфии и режев телевидении. Отдельные фрагменты рисунка, помещенного на вращающийся барабан,через щелевой экран поступают на линзу, которая фокусирует их нафотосчитывающую ПЗС-линейку. В результате последовательно передаются всефрагменты изображения, которые после преобразования в видеосигналы позволяютпередать и воспроизвести изображение. 6 Матричные (плоскостные) ФСИ
Устройства на основе строчных ФСИ позволяют передавать изображениес низкой скоростью и не обеспечивают высокого качества видеосигналов. Поэтомутелевизионные передающие камеры строят главным образом на основе матричных ФСИ.
Используются четыре основных способа организации матричныхформирователей сигналов изображений на ПЗС: кадровая, строчная,строчно-кадровая, адресная. Эти организации отличаются способом считываниякартины зарядовых пакетов.
/>
Рис.15.ФСИ с кадровой организацией:
1- каналоограничивающая диффузионная область; 2 — оптическая секция; 3 — элементизображения; 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; секциисчитывания, состоящей из СР на ПЗС и выходного считывающего элемента,преобразующего зарядовые пакеты в видеосигналы.
Картина зарядов, накопленные в фотоприемной секции, послеокончания кадра с помощью соответствующей последовательности тактовых импульсовбыстро сдвигается в секцию хранения. Таким образом, после восприятияизображения весь кадр сдвигается в секцию хранения и фотоприемная секция готовак приему следующего кадра. В течение времени формирования следующего кадраинформация из секции хранения построчно передается в выходной СР, откуда онапоэлементно передается на выходной считывающий элемент (подобно тому, как встрочном ФСИ). Тактовая частота сдвига в выходном регистре должна быть в r раз (где r — количество элементов водной строке) выше тактовой частоты в секции хранения для того, чтобы к моментупоступления в регистр следующей строки обеспечить передачу на выход всехзарядовых пакетов предыдущей строки.
Достоинствами кадровой организации процесса Сканирования являютсявысокое качество передаваемого изображения, возможность чересстрочнойразвертки, топологическая простота и регулярность кристалла. Высокое качествовидеосигналов достигается благодаря тому, что после восприятия изображениякартина зарядов быстро сдвигается в защищенную от света секцию хранения ипоэтому не происходит дополнительной засветки при сканировании, вызывающейискажения видеосигналов. Чересстрочная развертка является прогрессивным методомсчитывания информации, позволяющим вдвое уменьшить частоту следованиявидеосигналов при сохранении того же качества изображения. В ФСИ на ПЗС онаможет быть получена следующим образом.
В трехтактной системе каждый светочувствительный элемент содержиттри электрода. При интегрировании изображения только один из них находится поднапряжением смещения и накапливает заряды, два остальных электрода необходимыдля направленной передачи зарядов и используются только при сдвиге картинызарядов в секцию хранения. Такую избыточность электродов в режиме восприятияизображения можно использовать так. В течение первого полукадра напряжение смещенияподается на одну группу электродов, например, на первые электроды светочувствительныхэлементов. Накопленные заряды сдвигаются в секцию хранения. В течение второгополукадра напряжение смещения подается на все электроды, и заряды накапливаютсяпод ними. Следовательно, один и тот же светочувствительный ПЗС-элементиспользуется для восприятия различных элементов изображения, т. е. применениечересстрочной развертки позволяет вдвое увеличить разрешающую способностьматрицы на ПЗС при сохранении того же количества элементов. Примером этогослужит разработанная фирмой RCA передающая камера, имеющая 256X320светочувствительных элементов и обеспечивающая в то же время получение 512X320элементов разложения, т. е. практически полный телевизионный стандарт.
Третье достоинство ФСИ с кадровой организацией состоит втопологической простоте кремниевого кристалла. Все три секции ФСИ имеютрегулярную структуру. Электроды формируются в виде поперечных полосметаллизации, пересекающих весь кристалл. Области хранения зарядов отделяются другот друга продольными диффузионными полосами. Секция хранения и выходной СРзащищаются от света с помощью дополнительной металлизации.
Кадровая организация ФСИ имеет и определенные недостатки. За счетдополнительной секции хранения, содержащей такое же количество ПЗС, что исветочувствительная секция, общее количество элементов увеличивается вдвое.Например, для получения разрешения 500X500 элементов при использованиичересстрочной развертки необходимо иметь светочувствительную секцию объемом500X250 элементов, секцию хранения такого же объема и выходной СР на 500элементов. Следовательно, общее количество элементов равно 500X X 501 = 250 500. Еслиучесть, что в вертикальном направлении каждый светочувствительный элементсодержит три электрода, то общее количество электродов, которые должны бытьсформированы на кристалле, близко к 750 000. Создание таких сверхбольшихинтегральных систем (СБИС) наталкивается (и еще долго будет наталкиваться) назначительные технологические трудности (основная — бездефектная фотолитография).
Другим недостатком рассматриваемой структуры является сильноевлияние дефектов на качество изображения. Если в светочувствительной секции (аособенно в секции хранения) неисправен только один ПЗС-элемент, то на выходебудет потеряна информация от всего столбца, так как при сканировании черезнеисправный элемент не смогут быть переданы зарядовые пакеты всех элементовстолбца, расположенных выше данного. Если в неисправном элементе электродзакорочен с подложкой через отверстие в окисле, то при передаче через данныйэлемент зарядовые пакеты будут заполняться до насыщения и на воспроизводимомизображении появится вертикальная светлая полоса. Если на электрод не попадаетуправляющее напряжение из-за обрыва металлизации, то через данный элемент вообщене будут передаваться зарядовые пакеты и на изображении появится вертикальнаятемная полоса. Все это еще более усиливает требования к бездефектности всехэлементов ФСИ.
Для достижения этого используют усложненную технологиюпоследовательного 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 кремниевыхслоев у краев электродов приводит к тому, что реальная ширина зазоровоказывается равной толщине окисла и не превышает 0,1—0,2 мкм. Благодаря узкимзазорам возникают сильные краевые поля, обеспечивающие высокую эффективностьпередачи. Важным достоинством данной трехуровневой структуры, приводящим куменьшению дефектов, является то, что вся поверхность кремния оказываетсядостаточно надежно защищенной. Важно и то, что поликристаллические кремниевыеэлектроды прозрачны и обеспечивают максимальное использование активной площадикристалла для восприятия потока света. На основе этой технологии создан ФСИ скадровой организацией, содержащий 220X128 элементов размером 30X30 мкм2 каждый.
Кадровая организация ФСИ на ПЗС получила наибольшеераспространение, и на основе ее получены устройства с наибольшей разрешающейспособностью. В фирме RCA на кристалле 7,6X10,2 мм2 разработан ФСИемкостью 256X320 элементов, который при использовании чересстрочного разложенияобеспечивает разрешающую способность 512X320 элементов.
Другим способом организации ФСИ является строчная организация (рис.17).При этом матрица содержит оптическую секцию и выходной сдвиговый регистр. Врежиме восприятия изображения в светочувствительных элементах оптической секциинакапливаются зарядовые пакеты. Затем последовательно на каждую из строк черезключи, управляемые вертикальным сдвиговым регистром, подаются тактовые импульсыи зарядовые пакеты переходят в выходной регистр, из которого они передаются навыход.
При строчной организации секция хранения не требуется. Поэтому дляполучения необходимой разрешающей способности количество ПЗС-элементов можетбыть вдвое меньшим, чем при кадровой организации. Уменьшается также числопереносов. Недостатком строчной организации является то, что зарядовые пакеты,поступающие в выходной сдвиговый регистр с более нижних строк, проходят большееколичество разрядов выходного регистра. Поэтому задержка видеосигналов навыходе 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 секциянакопления зарядов
Другой недостаток строчной организации связан с тем, что передачазарядовых пакетов строк осуществляется светочувствительными элементами, поэтомузасветка, сопутствующая сканированию, искажает передаваемую информацию. Влияниедефектов такое же, как при кадровой организации, т. е. неисправность одногоэлемента строки вызывает появление белой или темной полосы на воспроизводимомизображении.
Модификацией кадрового способа является такая организация ФСИ, прикоторой оптическая секция и секция хранения как бы вложены друг в друга.Кристалл содержит матрицу светочувствительных элементов, в которой между столбцамирасположены защищенные от света ПЗС-элементы хранения. Зарядовые пакеты,накопленные в светочувствительных элементах, сдвигаются в прилегающие к нимзатемненные столбцы и хранятся в них. Вывод сигналов в выходной сдвиговый регистросуществляется построчно, начиная с нижней строки.
Достоинством модифицированной кадровой организации являетсяуменьшение количества переносов, так как для сдвига всей картины зарядовыхпакетов в секцию хранения требуется только один перенос. Такой ФСИ объемом100X100 элементов был использован в миниатюрной телевизионной камере MV-100 размером 38Х64Х Х90мм3 и массой 170 г с потребляемой мощностью 1 Вт. Камера работает при измененииосвещенности в диапазоне от яркого солнечного до комнатного света, обеспечиваетразрешающую 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 способахорганизации, требует бездефектности всех элементов матрицы. Неисправностьодного элемента вызывает потерю информации всего передающего столбца илистроки. Адресная организация ФСИ устраняет этот недостаток. При таком способеорганизации информация покоординатно выбирается из отдельных элементов. ФСИ садресной организацией реализуется на приборах с инжекцией заряда в подложку,представляющих собой разновидность ПЗС, в которых зарядовая связь существует впарах между двумя элементами. Каждая пара содержит два МДП-конденсатора, связанныхмежду собой с помощью р+-области. Затворы конденсаторов подключенысоответственно к горизонтальной Х и вертикальной У-шинам (рис18). ФСИ представляетсобой матрицу таких светочувствительных пар. В режиме восприятия изображения навсе электроды подается отрицательное напряжение смещения, и фотогенерируемыеносители накапливаются в потенциальных ямах под затворами (рис.18, а).Считывание осуществляется покоординатно. Для выборки элемента с координатами i, k напряжение смещенияснимается с i-йстроки и k-гo столбца. При снятиинапряжения с одного из затворов накопленные под ним дырки через р+-областьпереходят в соседнюю потенциальную яму (рис.18,6). При снятии напряжений собоих электродов (что имеет место только в считываемом элементе, расположенномна пересечении 1-й строки и k-гo столбца) дырки инжектируются в подложку и вызывают в ее цепиимпульс тока (рис.18, в).
Управление покоординатной выборкой, обеспечивающейпоследовательное считывание зарядовой информации из всех элементов матрицы,целесообразно осуществлять с помощью двух СР на МДП-транзисторах,сформированных на одном кристалле со светочувствительными элементами. На входыобоих регистров поступают импульсы, которые при сдвиге в данный разряд вызываютуменьшение напряжения на подключенной к нему шине. Частота сдвигов в регистресчитывания строки в r раз выше, чем в регистре столбца, r — количество элементов встроке. Поэтому сначала последовательно считываются элементы первой строки,затем в вертикальном регистре осуществляется сдвиг на один разряд и начинаетсясчитывание следующей строки и т. д.
Основным достоинством адресной организации является то, что длясчитывания зарядового пакета из любого элемента требуется только один перенос(от одного электрода к другому). Поэтому нет потерь зарядового пакета иискажений передаваемой информации, как во всех предыдущих вариантах. Второепреимущество — это ослабление влияния дефектов отдельных элементов на качествоизображения. Действительно, если неисправен один элемент, то на воспроизводимомизображении появится темная или белая точка, а не полоса, как пои другихспособах организации. Потенциальные ямы двух электродов одногосветочувствительного элемента связаны p+-областью, поэтому при изготовлении ФСИ наприборах с инжекцией заряда не надо получать узкие зазоры. Следовательно,снижаются требования к фотолитографии.
ФСИ с адресной организацией имеют и ряд недостатков. При считыванииток сигнала по амплитуде незначительно отличается от паразитного тока, поэтомуформирователь имеет малый динамический диапазон (около 10:1), и кроме того, на выходенеобходимо иметь очень чувствительные пороговые схемы. Время считыванияоказывается значительным (порядка нескольких микросекунд), что обусловлено временемрекомбинации инжектированных из светочувствительного элемента дырок сэлектронами подложки. Для управления покоординатной выборкой требуются мощныесдвиговые регистры, занимающие большую площадь кристалла. Например, в ФСИ сполной телевизионной разрешающей способностью (500X500 элементов) каждый разрядсдвигового регистра должен обеспечить формирование импульсов на 500 электродах,общая емкость которых может достигать 20 пФ. Если длительность фронтов импульсовдолжна быть меньше 100 нс, то ширина каналов МДП-транзисторов должна бытьбольше 100 мкм. Еще одним недостатком является меньшая, чем в обычных ПЗС,степень интеграции, так как адресная выборка требует большого количествапересекающихся шин, кроме того размеры самого элемента больше.
Усовершенствование приборов с инжекцией заряда применениемэпитаксиальной технологии для образования р-n-перехода с тонкойподложкой позволило значительно улучшить параметры ФСИ: увеличить на порядокскорость считывания, расширить динамический диапазон до 500: 1, обеспечитьотношение пика сигнал/шум на уровне 1200: 1. С использованием адреснойорганизации фирма General Electric разработала формирователь сигналов изображений,содержащий 256X256 светочувствительных элементов.
Наиболее простые управляющие цепи (два трехтактных генератора)требуются при модифицированной кадровой организации. Регулярную простуютопологию имеют ФСИ со строчной и с кадровой организациями. Примодифицированной кадровой организации элементы хранения, расположенные рядом сосветочувствительными элементами, необходимо защищать от света с помощьюметаллизации, что усложняет технологию. Технологическими недостатками приборовс инжекцией заряда являются необходимость формирования в каждом светочувствительномэлементе диффузионной области и пересечения металлизированных шин строк истолбцов. Наибольшая разрешающая способность (512Х Х326 элементов) достигнутапри использовании кадровой организации трехтактных структур с трехслойнымикремниевыми электродами. Таким образом, различные способы организации имеютопределенные достоинства и недостатки; наилучшее сочетание характеристик имеюткадровая 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 — сдвиговыйрегистр на МДП-транзисторах; 5 — вход питания; 6 — выход видеосигнала.
Родственными ФСИ на ПЗС являются матрицы на основе МДП-фотодиодныхэлементов. Эти приборы появились на несколько лет раньше ПЗС, на их основевыпускаются линейные ФСИ, содержащие от 64 до 1000 элементов, и матричные ФСИ сразрешающей способностью 5ОХ’5О элементов.
ФСИ на основе МДП-фотодиодных структур представляет собойфотодиодную 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 выходосуществляется с помощью последовательно открывающихся МДП-транзисторов,которые управляются сигналами от сдвигового регистра, выполненного также наМДП-транзисторах и сформированного на том же кристалле. Таким образом, в данномФСИ функции преобразования света в заряд и хранения заряда выполняютсяфотодиодами, а функция передачи — МДП-транзисторами. В ФСИ на ПЗС все три функциивыполняются самими ПЗС-элементами.
Достоинствами МДП-фотодиодных структур являются отсутствиеискажений зарядовых пакетов при сканировании (так как требуется только однапередача); большая, чем у ПЗС, фоточувствительность, что обусловлено меньшимкоэффициентом отражения света в фотодиодной структуре и большей глубиной(равной глубине залегания р-n-перехода), на которой накапливаются заряды. Недостатками являютсябольшая (примерно в четыре раза) площадь одного светочувствительного элемента,состоящего из фотодиода и МДП-транзистора, что приводит к уменьшениюразрешающей способности; больший уровень шумов и меньшая амплитуда выходногосигнала, что связано с большой выходной емкостью, равной емкости всейпередающей шины строки.
По-видимому, для создания ФСИ с большой разрешающей способностью(для полноформатных передающих ТВ камер) будут использоваться ПЗС. Основныеобласти применения МДП-фотодиодных структур — системы наблюдения, оптическогораспознавания образов, дефектоскопия и т. п., т. е. системы специальногомалокадрового телевидения с числом элементов разложения 50X50.
7 Перспективы развития ФСИ на ПЗС
Функциональные возможности ФСИ на ПЗС пока далеко не исчерпаны. Внастоящее время на основе ПЗС разрабатываются главным образом формирователисигналов изображений видимого света. Однако их возможности простираются и на ИКдиапазон. Электромагнитные волны ИК диапазона вызывают генерациюэлектронно-дырочных пар не за счет перевода электронов из валентной зоны в зонупроводимости (для этого необходима большая энергия), а за счет возбужденияэлектронов с мелкие примесных уровней. Для того чтобы эти уровни не разряжалисьбез 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. Используяпримеси, образующие разные по глубине уровни, можно добиться эффективноговосприятия изображений в различных поддиапазонах ИК области.
Еще одно расширение функциональных возможностей ПЗС связано с тем,что глубина обедненного слоя, образующегося под затвором, зависит от напряженияна нем. Учитывая также сильную зависимость коэффициента поглощения света отдлины волны l можносоздать спектрально-чувствительные ФСИ, позволяющие выделять определенные цветав видимой части спектра.
Наиболее очевидной областью применения ФСИ на ПЗС являютсяпередающие телевизионные камеры. Однако современные образцы формирователей снаибольшей разрешающей способностью пока не удовлетворяют требованиямтелевизионного стандарта и не обеспечивают неискаженную передачу изображений сяркими участками. Ожидается, что в ближайшее время эти трудности будутпреодолены.
На основе существующих ФСИ можно создавать портативные иэнергоэкономичные передающие камеры с меньшей разрешающей способностью,предназначенные для промышленного применения, учебных, медицинских и спортивныхцелей. Уже упоминалось о черно-белой передающей камере MV-100, в которой.используется ФСИ на ПЗС с разрешающей способностью 100ХЮ0 элементов. На основеприборов с инжекцией заряда на кристалле 8,4X11,2 мм2 разработанамногоэлементная матрица, которая при использовании чересстрочной развертки даетразрешающую способность 512X256 элементов. Размер кристалла позволяет использоватьоптику от 16-мм кинокамер.
На основе ФСИ на ПЗС можно построить цветную передающуютелевизионную камеру. Для этого используются три кристалла ФСИ и стандартныйцветоделительный блок, в котором световой поток изображения расщепляется на трицвета, поступающих на соответствующие кристаллы ФСИ. В ФСИ эти световые потокипреобразуются в видеосигналы. Благодаря фиксированной конфигурации матриц и тактируемомусамосканированию в ФСИ на ПЗС устраняется трудность точного совмещенияразвертываемых изображений, существующая в цветных телевизионных камерах с тремятрубками и вызывающая появление «цветной бахромы» на воспроизводимомизображении.
Передающие камеры для малых уровней освещенности являются ещеодной перспективной областью применения ПЗС. Основной проблемой, возникающейпри малых уровнях освещенности, являются шумы, которые становятся сравнимыми ссигналом. Собственные шумы ПЗС, обусловленные флюктуациями фонового заряда ифлюктуациями зарядовых потерь при передаче, позволяют достичь минимальногоуровня освещенности, соответствующего 60—100 электронам водном зарядовомпакете. При таком малом сигнале определяющую роль начинают играть шумывыходного усилителя. Эти шумы могут быть значительно снижены с помощьюмногократного неразрушающего считывания и последующего сложения выходныхсигналов, в результате которого флюктуации усредняются и отношение сигнал/шум ks/N увеличивается. Подобныйпринцип реализуется с помощью многоразрядного усилителя, так называемого«распределенного усилителя с плавающим затвором» (РУПЗ) (рис.20). К каждомубиту последние Nвых разрядов выходного сдвигового регистра подключен усилительзарядов с плавающим затвором.
/>
Рис.20.Схема многоразрядного распределенного усилителя с плавающими затворами:
1- выходной сдвиговой регистр; 2 — дополнительный сдвиговой регистр сувеличенной площадью ПЗС-элементов; 3 — усилители зарядовых сигналов.
Усиленные зарядовые сигналы поступают в дополнительный сдвиговойрегистр с большей площадью затворов. Оба регистра управляются одинаковымитактовыми импульсами и передача зарядов в них осуществляется синхронно. Вкаждом бите дополнительного регистра к передаваемому зарядовому пакетудобавляется соответствующий ему усиленный заряд. Так как усиление выходныхсигналов осуществляется многократно, в различных элементах, и в разные моментывремени, то все флюктуации усредняются.
Структура усилителя (рис.21а) включает в себя тактовый электрод,под которым расположен плавающий затвор. При поступлении тактового импульсазарядовый пакет из предыдущего ПЗС-элемента перетекает (в направлении,перпендикулярном плоскости рисунка) в потенциальную яму рассматриваемогоПЗС-элемента и вызывает изменение потенциала на плавающем затворе, которыйвыступает 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 — каналМДП-транзистора; 5 — каналоограничивающие n+-области
В соответствии с эквивалентной схемой усилителя (рис.21, б)начальное напряжение, устанавливающееся на плавающем затворе (узел I) после прихода тактовогоимпульса (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 иперекрывающейся частью плавающего затвора; d— емкость диэлектрика,расположенного под перекрывающейся частью плавающего затвора; С3 — емкостьповерхностного обедненного слоя ПЗС-элемента; С4 -емкость между плавающимзатвором и каналоограничивающей п+- диффузионной областью; Свх — емкостьвыступающего участка плавающего затвора на подложку. Нетрудно убедиться, чтопосле прихода Q изменениепотенциала 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 уменьшениепотенциала плавающего затвора.
Изменение потенциала Δφ1 вызывает изменение тока стокаМДП-транзистора. Если его крутизна равна g = dIc/dU3, то коэффициент усилениязаряда AQ равен:
AQ = QY/Q/>( Δφ1/Q)·g·ty. (10)
где Qy — усиленный заряд, ty — длительность стробирующего импульса, открывающего цепьпередачи заряда через МДП-транзистор.
Кроме усиленного информационного заряда в ПЗС-элементы выгодногорегистра поступает фоновый заряд Qф, обусловленный начальным смещением φ1 затвора МДП-транзистора:
Qф=ICtY (11)
Величина фонового заряда флюктуирует и связанные с этим шумыравны:
/>. (12)
Отношение сигнал/шум в одном разряде РУЛЗ равно:
/>. (13)
Если использовать обычную модель МДП-транзистора:
/> , вычислить крутизну g и подставить выражениядля g иIс в (11), то получим, чтоks/N не зависит от режимаМДП-транзистора:
kS/N= Δφ12{kty/[q(1+x)]}1/2, (14)
где k — удельная крутизна МДП-транзистора, х — коэффициент влияния подложки.
Из (14) следует, что существует оптимальная величина емкостивыступающей части плавающего затвора Свх опт, при которой kS/N максимален. Из условия dkS/N/dCBХ = 0, используя также (8) и (12),получим
Свхопт = С2+С2+С1х/(1+х). (15)
Однако реально МДП-транзистор работает в режиме микротоков, вкотором его характеристики отклоняются от обычной модели. Поэтому kS/N зависит от режима и болееточно оптимальное значение Свхопт можно определить с помощью экспериментальныхвольтамперных характеристик.
Так как РУПЗ содержит NBblХ разрядов, то суммарное усиление информационногозаряда будет в NBblХраз больше (по сравнению с одним разрядом), а суммарные шумы увеличатся тольков (NBblХ )1/2 раз. Следовательно, kS/N в многоразрядовомусилителе пропорционален (Nnux) 1/2 и требуемое значение kS/N может быть достигнуто спомощью определенного числа разрядов РУПЗ.
Для получения kS/N =5 при зарядовом сигнале Q = 10-5 пК. (чтосоответствует 60 электронам) требуется 12 разрядов усилителя. Изменениепотенциала плавающего затвора от такого заряда очень мало, />150мкВ. Поэтому дляреализации РУПЗ необходимы высокостабильные источники питания. ПлощадьПЗС-элементов в РУПЗ определяется из условия размещения в потенциальной ямепоследнего элемента суммарного усиленного информационного зарядового пакета исуммарного фонового заряда.
Еще одной возможной областью применения ФСИ на ПЗС являютсяастрономические приборы и фотодатчики для регистрации элементарных частиц. Вэтих приборах используется четкая геометрическая фиксация элементов ФСИ,позволяющая с высокой точностью определять координаты требуемого элементаизображения.
В заключение подробнее остановимся на использовании ПЗС в системахформирования сигналов ИК изображений. Существуют три области для их применения:уплотнение с помощью ПЗС информации, снимаемой с ИК приемника; организациявременной задержки и интегрирования снимаемой информации; непосредственнаярегистрация ИК сигналов с помощью ПЗС, сформированные на полупроводниках сузкой запрещенной зоной.
Входы матрицы ПЗС, используемой для уплотнения информации, череземкостные связи соединяются с выходами приемников ИК излучения (рис.22). В каждомПЗС-элементе образуется зарядовый пакет, пропорциональный выходному напряжениюсоответствующего приемника. Затем картина зарядов сканируется (передается) навыход. Применение ПЗС в этом случае позволяет осуществлять уплотнениеинформации внутри самого дьюара (используемого для охлаждения ИК приемников),что приводит к уменьшению количества выводов из дьюара и к минимизации тепловойнагрузки. С этим методом применения связаны две проблемы: перекрестные помехимежду каналами, обусловленные потерями зарядов при переносе, и шумы,возникающие при инжекции в ПЗС зарядов.
При использовании ПЗС для получения временной задержки и интегрированиясигналов каждый ПЗС-элемент соединяется с соответствующим ИК приемником. ИКизображение перемещается относительно матрицы приёмников с некоторой скоростьюи каждый элемент изображения последовательно проходит все приемники соответствующегостолбца матрицы (рис.23). Перенос зарядовых пакетов вдоль цепочки ПЗС-элементовосуществляется с такой же скоростью. В результате время интегрированияизображения увеличивается в k раз, где k —количество элементов в столбце (равное числу строк в матрицеИК приемников).
/>
Рис.22.Использование ПЗС для уплотнения и передачи на выход информации, снимаемой с ИКприемников:
1-ИК приемники; 2-буферные элементы; 3 — ПЗС
/>
Рис.23.Использование ПЗС для временной задержки и интегрирования снимаемой с ИКприемников информации:
1- ИК приемники; 2 — буферные элементы; 3 — ПЗС. Направления, а также скоростиперемещения ИК изображения (4) и передачи зарядов вдоль ПЗС (5) совпадают.
Если матрица содержит r таких столбцов, то общее количество соединениймежду матрицей приемников и ПЗС составляет kr. Надежное изготовлениебольшого числа внутрисхемных соединений является сложной технологической задачейпри создании подобных систем.
В третьем варианте, названном ИК ПЗС, сами ПЗС используются длярегистрации и формирования сигналов ИК изображений. В этом случае организацияматрицы такая же, как в светочувствительных ПЗС. Основные проблемы ИК ПЗС следующие.Для восприятия ИК излучения необходимы узкозонные полупроводники, шириназапрещенной 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 типаАIIIВV, AIIIBVI, AIVBIV, например InAs, InSb и т. д. Технологияизготовления МДП-структур на таких материалах пока недостаточно отработана.Создание ИК ПЗС на несобственном полупроводнике также представляет известныетрудности.
Вторая проблема связана с высоким уровнем фонового излучения в ИКобласти спектра и низкой контрастностью ИК изображений. Это приводит кнакоплению в потенциальных ямах ПЗС большого паразитного заряда. Низкаяконтрастность накладывает жесткие требования на допустимую величинунеравномерности фоточувствительности (от элемента к элементу), которая недолжна превышать нескольких процентов. Такое ограничение обусловливает жесткиетребования к технологии, особенно к фотолитографии.
В последнее время определенные успехи достигнуты в технологииМДП-структур на InSb с пленкой оксини-трида кремния в качестве диэлектрика (полученнойс помощью осаждения) и нихромовым затвором. Плотность поверхностных состояний втаких структурам составляет 1012 см-2, а время релаксации МДП-емкости достигает0,1 с при температуре 77 К.
По конструктивно-технологическим характеристикам формирователи ИКсигналов на ПЗС подразделяются на монолитные и гибридные. Монолитныеформирователи включают в себя, прежде всего, ИК ПЗС на узкозонных полупроводникахили легированных широкозонных полупроводниках, чувствительных к ИК излучению, атакже приборы, содержащие на одном кристалле чувствительную к ИК излучениюматрицу на элементах с барьером Шоттки (с внутренней фотоэмиссией) исчитывающую схему на ПЗС.
В противоположность монолитным приборам гибридные приборы являютсякомбинацией ИК приемников различных типов и кремниевого ПЗС, используемого длясдвига 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 ИКприемнике заряды непосредственно вводятся в ПЗС, и на приборы с непрямойинжекцией, в которых между ИК приемником и ПЗС существуют буферные элементы(МДП-транзисторы или усилительные каскады). В качестве ИК приемников можноиспользовать фотовольтаические, фоторезистивные и пироэлектрические приемники.
Литература
1. Носов Ю.Р., Шилин В.А.Приборы зарядовой связи. М., 1976.
2. Носов Ю.Р. Приборызарядовой связи. М., Знание.1989.
3. Шилин В.А. «ПЗС» — Вкниге Микроэлектроника. под ред. Васенкова А.А. выпуск 6.М., Современное радио.1973.