Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Приборы с зарядовой связью

зарядовый связь виртуальный матричный

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) являются одним из видов твердотельных фотоприемников оптического изображения. «Уникальные достоинства многоэлементных твердотельных приемников изображения делают их безальтернативной элементной базой во многих областях науки, промышленности и бытовой техники. Малые габаритные размеры и вес, высокая чувствительность в широком спектральном диапазоне, высокая разрешающая способность, возможность анализа изображения на аппаратном уровне - вот основной набор качеств современных устройств приема и обработки оптических изображений» [7].

Согласно определению фоточувствительным прибором с зарядовой связью (ФПЗС) называется фоточувствительный прибор с переносом заряда, в котором зарядовые пакеты перемещаются к выходному устройству вследствие направленного перемещения потенциальных ям. ФПЗС входят в общий класс фоточувствительных приборов с переносом заряда (ФПЗС). ФПЗС это прибор с переносом заряда, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал [3].

2. Область применения

ФПЗС находят широкое применение в различных областях [7, 10], среди которых:

· Бытовые телевизионные системы (форматы VHS, SVHS, HDTV)

· Специализированные телевизионные системы: охрана, системы с анализом движущихся изображений, научные исследования, транспорт

· Техническое зрение роботов

· Устройства ввода изображения в ЭВМ

· Цифровые фотокамеры

· Бесконтактные измерительные устройства

· Астрономия - телескопы наземного и космического базирования, бортовая аппаратура искусственных спутников Земли

· Дистанционное зондирование Земли из космоса

· Спектроанализаторы ближнего ИК, видимого и УФ диапазона;

· Медицина - рентгенотелевизионные установки, эндоскопия, кератометр (офтальмология)

· Детекторы ионизирующего излучения

· Лазерная техника - аппаратура, регистрирующая распределение плотности энергии, многоканальные анализаторы спектра флуоресценции

3. Принцип действия ФПЗС

Принцип действия ФПЗС основан на хранении и перемещении фотогенерированных зарядов в потенциальных ямах. Информация в ПЗС представляется в виде зарядовых пакетов, локализованных в потенциальных ямах [11]. Изменение конфигурации потенциальных ям, ведущее к перемещению зарядовых пакетов, находящихся в этих ямах, осуществляется подачей тактовых импульсов питания на электроды. Таким образом, формируется потенциальный рельеф. При наличии двух близко расположенных потенциальных ям заряд будет скапливаться в наиболее глубокой. Это позволяет переносить фотогенерированный заряд из одной ямы в другую. Такой принцип переноса называется зарядовой связью. Впервые зарядовая связь была продемонстрирована в 1969 г. сотрудниками фирмы Bell Laboratories Уиллардом Бойлом (Willard S. Boyle) и Джорджем Смитом (George E. Smith). В 2009 г. У. Бойл и Дж. Смит были удостоены нобелевской премии по физике за разработку оптических полупроводниковых сенсоров - ПЗС-матриц [19].



Рисунок 1 - Схема трехфазного n-канального ПЗС с несущими заряд потенциальными ямами (а) (поперечное сечение), потенциальные ямы, показанные в различные моменты переноса заряда (б, в, г), и временные диаграммы тактовых импульсов (д)

На рисунке 1 изображен один из вариантов организации электродной структуры ПЗС с поверхностным каналом. Заряд генерируется в потенциальных ямах под электродами и хранится на границе раздела окисел-полупроводник. Такой механизм переноса по поверхности характеризуется высокой управляющей способностью и малой эффективностью за счет наличия большого числа поверхностных состояний. Большую же эффективность переноса имеет ПЗС с объемным каналом (рисунок 2).



Рисунок 2. Продольный разрез ПЗС с объемным каналом

В таком случае заряд хранится в потенциальной яме не на границе раздела окисел - полупроводник, а на некотором удалении от нее [13].

ФПЗС с виртуальной фазой

Элемент матричных ФПЗС с виртуальной фазой (рисунок 3) содержит два управляемых электрода и один т.н. «виртуальный» электрод. Виртуальный электрод представляет собой однородно высоколегированный мелкий p⁺-слой. Под виртуальным электродом за счет подачи на него постоянного потенциала образуется потенциальная яма. На другие два электрода подаются тактовые импульсы. Такая конструкция позволяет реализовать двунаправленный перенос, что значительно расширяет функциональные возможности таких приборов. Отсутствие одного физического электрода на фоточувствительной поверхности дает увеличение квантовой эффективности более чем на 50%. К недостаткам можно отнести сложность технологии прецизионного легирования [7].



Рисунок 3. Сечение элемента ФПЗС с виртуальной фазой:

1 - фоточувствительный n-канал переноса;

2 - «виртуальный затвор» (высоколегированная p-область);

3 - поверхностный диэлектрик;

4 - управляющие фазовые затворы;

5 - p-подложка.

ФПЗС с фотодиодным накопителем

Фоточувствительные элементы матричных ФПЗС с фотодиодным накопителем (рисунок 4) состоят из: фотодиодного накопителя (1), вертикального сдвигового регистра (2), которые расположены в p-подложке (3). Ячейки разделяются между собой при помощи стоп-канала (4). Вертикальный сдвиговый регистр является четырехфазным, и работает таким образом, что одна ячейка регистра принимает зарядовые пакеты от двух фотодиодов с помощью двух фаз (5, 6). Параллельный перенос происходит через область разрешающего затвора (7). Подзатворный диэлектрик состоит из двух слоев: SiO₂ (8) и Si₃N₄ (9).



Рисунок. 4 Структура ФПЗС-элемента с фотодиодным накопителем

Lэ - длина элемента

Lз - длина затвора

Vф - напряжение фаз

1 - фотодиодный накопитель (p⁺⁺ и n1 области)

2 - вертикальный регистр (n2 область)

3 - p-подложка (Psub)

4 - стоп-канал (p⁺ область)

5,6 - фазовые электроды регистра

7 - область разрешающего затвора

8 - окисел кремния

9 - нитрид кремния.

ФПЗС с фотодиодным накопителем и планарным антиблумингом

Устройство антиблуминга предотвращает растекание избыточного фотогенерированного заряда в фоточувствительной ячейке при регистрации очень ярких изображений. Этот заряд отводится через сток антиблуминга. Так же устройство антиблуминга позволяет регулировать экспозицию, непрерывно сливая весь фотогенерированный заряд, т.е. останавливая накопление. Планарный (боковой или горизонтальный) антиблуминг, лежит в одной плоскости с областями фотодиода и вертикального регистра и занимает часть площади элемента, что отмечается как недостаток, остальная же структура элемента аналогична предыдущей (рисунок 5).

Рисунок 5. Структура ФПЗС-элемента с фотодиодным накопителем и планарным антиблумингом

Lэ - длина элемента; Lз - длина затвора; Vф - напряжение фаз; Vаб - напряжение антиблуминга; 1 - фотодиодный накопитель (p⁺⁺ и n1 области); 2 - вертикальный регистр (n2 область); 3 - p-подложка (Psub); 4 - область антиблуминга (n3 область); 5,6 - фазовые электроды регистра; 7 - область разрешающего затвора; 8 - область стока антиблуминга; 9 - окисел кремния; 10 - нитрид кремния; 11 - стоп-канал (p⁺ область)

ФПЗС с фотодиодным накопителем и вертикальным антиблумингом

В элементах матричных ФПЗС с ФД и вертикальным антиблумингом область стока вертикального антиблуминга располагается непосредственно под фотодиодом (рисунок 6), тем самым не занимая полезную площадь на поверхности.



Рисунок 6. Структура ФПЗС-элемента с фотодиодным накопителем и вертикальным антиблумингом

Lэ - длина элемента; Lз - длина затвора; Vф - напряжение фаз; Vаб - напряжение антиблуминга; 1 - фотодиодный накопитель (p⁺⁺ и n1 области); 2 - вертикальный регистр (n2 область); 3 - p-карман (Pw); 4 - сток антиблуминга (n-подложка Nsub); 5,6 - фазовые электроды регистра; 7 - область разрешающего затвора; 8 - окисел кремния; 9 - нитрид кремния; 10 - стоп-канал (p⁺ область).

4. Схемы организации ФПЗС

Многоэлементные фоточувствительные приборы с зарядовой связью делятся на: линейные (ЛФПЗС) и матричные (МФПЗС).

Линейные ФПЗС

Линейным называют фоточувствительный прибор с переносом заряда, в котором фоточувствительные элементы расположены в один ряд [3].

На рисунке 7 изображены варианты структурных схем линейных ФПЗС.



Рисунок 7. Структурная схема линейных ФПЗС: а - без разделения областей накопления и передачи; б - с дополнительным регистром сдвига; в-с двумя дополнительными регистрами сдвига для передачи; 1 - фоточувствительные элементы; 2 - выходное устройство; 3 - разрешающий затвор; 4 - защищенный от света регистр сдвига; 5 - стоп-канал; 6 - устройство объединения выходных сигналов

В первом случае (рисунок 7а) заряд накапливается и переносится к выходному устройству одними и теми же фоточувствительными элементами. Таким образом, необходимо на время переноса ограничить попадание света на фоточувствительную область. Во время накопления электроды находятся под постоянным потенциалом, создавая изолированные потенциальные ямы, а во время считывания подаются импульсы обеспечивающие перенос заряда. Для предотвращения попадания света на фоточувствительные элементы во время переноса можно использовать механический или электронный затвор. Но для приборов с большим количеством элементов время считывания оказывается довольно большим, тем самым сокращая эффективное время накопления.

Другой вариант организации предполагает разделение функций накопления и считывания (рисунок 7б). Отдельные фоточувствительные элементы накапливают заряд и изолированы от регистра сдвига разрешающим затвором. Когда на разрешающий затвор подается высокий отпирающий потенциал, накопленный заряд параллельно переносится в сдвиговый регистр, защищенный от света. Накопление следующей строки начинается сразу после запирания разрешающего затвора и параллельно этому происходит считывание. Таким образом, время накопления составляет практически всё время цикла. Разделение области накопления и считывания позволяет улучшить прозрачность фоточувствительных элементов за счет устранения затворов в них.

Использование двух сдвиговых регистров (рисунок 7в) позволяет сократить количество переносов вдвое и увеличить частоту вывода данных.

Существует квадрилинейная организация, при которой с каждой стороны фоточувствительных элементов располагается по два считывающих регистра, переносящих заряды в противоположные стороны от центра массива элементов. Такая схема используется для снижения количества переносов в приборах с высокой чувствительностью и большой плотностью фоточувствительных элементов [7, 13].

Матричные ФПЗС

Матричным - называется фоточувствительный прибор с переносом заряда, в котором фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам [3].

Матричные ФПЗС по типу организации матричного массива делятся на:

· Матрицы с кадровым переносом

· Матрицы с межстрочным переносом

· Матрицы с временной задержкой и накоплением (ВЗН)

Матрицы с кадровым переносом (рисунок 8) содержат секцию накопления, секцию хранения и выходной регистр сдвига.



Рисунок 8. ФПЗС с кадровой организацией. 1 - секция накопления; 2 - секция хранения; 3 - выходной регистр сдвига; 4 - выходное устройство; Ф_1М, Ф_2М, Ф_3М - фазы вертикальных регистров секции накопления; Ф_1П, Ф_2П, Ф_3П - фазы вертикальных регистров секции хранения; Ф₁, Ф₂, Ф₃ - фазы горизонтального регистра

Накопленный заряд за время обратного хода вертикальной развертки видеоконтрольного устройства переносится в секцию хранения, экранированную от света. Затем фоточувствительные элементы переводятся в режим накопления, а предыдущий кадр построчно считывается. Достоинства ФПЗС с кадровой организацией - простота электродной структуры, большая фоточувствительная площадь, схема хороша для регистрации импульсных источников. Недостатки - необходима секция хранения, оптическое смазывание изображения при переносе из секции накопления в секцию хранения, т.к. во время переноса фоточувствительные ячейки подвержены воздействию света.

Матрицы с межстрочным переносом (рисунок 9) содержат фоточувствительные элементы, вертикальные сдвиговые регистры, защищенные от света и выходной регистр сдвига.



Рисунок 9. ФПЗС с межстрочным переносом. 1 - защищенные от света сдвиговые регистры; 2 - светочувствительные элементы; 3 - выходной регистр сдвига; 4 - выходное устройство; Ф_1М, Ф_2М, Ф_3М - фазы вертикальных регистров; Ф₁, Ф₂, Ф₃ - фазы горизонтального регистра

В матричных ФПЗС с межстрочным переносом накопленный в фоточувствительных элементах заряд параллельно переносится в, защищенные от света, вертикальные сдвиговые регистры. Далее из вертикальных регистров заряд переносится в выходной регистр сдвига. В отличие от ФПЗС с кадровым переносом, где фоточувствительные ячейки поочередно выполняли функции накопления и переноса, в ФПЗС с межстрочным переносом эти функции разделены. За счет этого уменьшается смазывание изображения, так как перенос заряда из ячейки в регистр происходит за один короткий такт, а дальнейший перенос происходит по вертикальному регистру, защищенному от света. Но из-за наличия данного регистра в конструкции ячейки уменьшается ее фоточувствительная площадь. К недостаткам так же можно отнести сложную структуру электродов, кроме электродов переноса необходимо сформировать электрод, отделяющий фоточувствительные области от вертикальных каналов переноса [7, 13].

Матричные ФПЗС с временной задержкой и накоплением (рисунок 10) основаны на принципе синхронизации скорости перемещения проецируемого на матрицу изображения и скорости переноса зарядовых пакетов. Строчный фрагмент изображения и соответствующая ему картина зарядов движутся по матрице синхронно: изображение движется непрерывно, а картина зарядов - скачками. Таким образом, увеличивается время экспозиции.

Рисунок 10. Структурная схема ФПЗС ВЗН:

1 - секция накопления; 2 - выходной регистр сдвига; 3 - Выходное устройство; V - скорость движения изображения; Ф_1М, Ф_2М, Ф_3М - фазы вертикальных регистров; Ф₁, Ф₂, Ф₃ - фазы горизонтального регистра

Недостатком таких приборов является узкий диапазон рабочих освещенностей. Для расширения диапазона освещенностей применяют секционирование ФПЗС ВЗН (рисунок 11). Такие ФПЗС ВЗН называют многосекционными. Матрица элементов разбивается на секции с различным числом строк, например, матрица 128хN элементов разбивается на секции 64хN, 32хN 16хN 8хN и 8хN элементов. Каждая секция имеет автономные шины управляющих импульсов. Последовательное отключение каждой из секций позволяет уменьшать время накопления соответственно в 2, 4, 8 и 16 раз. Накопленные заряды отключаемых секций сдвигаются вверх, рабочих - вниз [7].



Рисунок 11. Организация многосекционного ФПЗС ВЗН:

1…5 - фоточувствительные секции; 6,7 - основной и дополнительный регистры сдвига; 8 - верхний регистр сдвига; 9 - выходные устройства; 10 - внешние схемы коммутации; Ф_1М, Ф_2М, Ф_3М - фазы вертикальных регистров; Ф₁, Ф₂, Ф₃ - фазы горизонтальных регистров

5. Принципы проектирования ФПЗС

При проектировании выделяют три группы параметров:

- конструктивные

- конструктивно технологические

- физико-технологические

В группу конструктивных включаются параметры, заданные топологией фотошаблонов и поэтому трудноизменяемые и ответственные (размеры элементов накопления, переноса и узлов выходного устройства).

В группу конструктивно-технологических параметров входят параметры, определяющие конструкцию ФПЗС, но не заданные фотошаблонами, а определенные технологическими режимами, т.е. более гибкие, легче изменяемые. К ним относятся: толщины диэлектрика под электродами и электродов; концентрация примеси в стоп-каналах, объемном канале, плавающей диффузионной области, истоках, стоках транзисторов, фотодиодах.

Группа физико-технологических параметров включает в основном сведения о поверхности: плотность поверхностных состояний; сечение захвата поверхностных ловушек; тепловую скорость; подвижность носителей в приповерхностной области [10].

В настоящее время коммерческие САПР приборно-технологического моделирования (например, Sentaurus TCAD (Synopsys)), установленные на мощных рабочих станциях, позволяют решать полную систему уравнений полупроводника с числом узлов пространственного разбиения вплоть до миллиона. Однако проблемы обеспечения физической адекватности моделей полупроводниковых приборов и достижения времен моделирования, приемлемых для практического проектирования, выстраиваемых даже в таких развитых САПР, не снимаются. Фотоприемные СБИС относятся к тем изделиям микроэлектроники, при проектировании которых физико-топологическое моделирование является обязательным.

6. Системы параметров ФПЗС

ГОСТ 25532-89 устанавливает термины и определения понятий фоточувствительных приборов с переносом заряда, в таблице 1 приведены некоторые из них.

Основные термины ФПЗС в соответствии с ГОСТ 25532-89

Термин	Определение
Выходной сигнал	Изменение напряжения или тока выходного устройства фоточувствительного прибора с переносом заряда, вызванное воздействием на фоточувствительное поле потока излучения, подлежащего регистрации
Напряжение насыщения	Выходной сигнал ФПЗС, выраженный в единицах напряжения, соответствующий максимальному заряду секции накопления, при котором сохраняется обусловленное качество изображения
Неравномерность выходного сигнала	Абсолютная: разность максимального и минимального значений выходного сигнала ФПЗС по фоточувствительному полю или его части Относительная: отношение амплитуды отклонения выходного сигнала ФПЗС к среднему значению выходного сигнала по фоточувствительному полю или его части
Интегральная чувствительность	Отношение изменения выходного сигнала ФПЗС к вызвавшему его изменению освещенности, энергетической освещенности, световой экспозиции или энергетической экспозиции в заданном спектральном диапазоне
Темновой сигнал	Напряжение или ток выходного устройства фоточувствительного прибора с переносом заряда при заданном, в том числе нулевом значении фонового потока излучения или фоновой подсветки фоточувствительного поля
Неравномерность темнового сигнала	Абсолютная: разность максимального и минимального значений темнового сигнала ФПЗС по фоточувствительному полю или его части Относительная: отношение абсолютной неравномерности темнового сигнала ФПЗС к напряжению или току насыщения по фоточувствительному полю или его части
Монохроматическая чувствительность	Отношение изменения выходного сигнала ФПЗС к вызвавшему его изменению энергетической освещенности или энергетической экспозиции на заданной длине волны оптического излучения
Относительная спектральная характеристика чувствительности	Зависимость, обычно выражаемая графически, монохроматической чувствительности ФПЗС, отнесенной к ее максимальному значению, от длины волны оптического излучения
Коэффициент передачи модуляции	Отношение размаха выходного сигнала ФПЗС при передаче изображения штриховой миры заданной пространственной частоты или электрически введенного сигнала заданной частоты к размаху сигнала от крупной детали изображения или электрически введенного сигнала, заполняющего не менее 4 последовательных потенциальных ям фоточувствительного поля ФПЗС
Число дефектов фоточувствительного поля	Число участков фоточувствительного поля ФПЗС, ограниченных установленным числом дефектных фоточувствительных элементов, наблюдаемых при заданной, в том числе нулевой, освещенности или энергетической освещенности фоточувствительного поля
Среднее квадратическое напряжение шума	Среднее квадратическое значение временной флюктуации выходного или темнового сигнала фоточувствительного поля ФПЗС или его части, в том числе одного фоточувствительного элемента, в заданной полосе частот
Динамический диапазон	Отношение напряжения или тока насыщения ФПЗС к среднему квадратическому напряжению или току темнового шума
Пороговая освещенность	Пороговая освещенность (энергетическая освещенность, световая экспозиция, энергетическая экспозиция) фоточувствительного поля ФПЗС или его части, при которой выходной сигнал ФПЗС равен среднему квадратическому напряжению или току темнового шума
Ток утечки между электродами	Ток между одиночными электродами, одиночным электродом и группой электродов или группами электродов, измеренный в статическом режиме работы фоточувствительного прибора с переносом заряда при заданной разности потенциалов между ними

7. Методы измерения параметров ФПЗС

Измерения параметров ФПЗС выполняются в соответствии с ГОСТ 28953-91.

Стандарт распространяется на фоточувствительные приборы с переносом заряда линейные и матричные, предназначенные для работы в радиотехнических и телевизионных системах в области спектра от 350 до 1100 нм, и устанавливает методы измерения следующих параметров и характеристик:

· выходного сигнала;

· напряжения насыщения и тока насыщения;

· неравномерности выходного сигнала:

· интегральной чувствительности;

· темнового сигнала и неравномерности темнового сигнала;

· монохроматической чувствительности и области спектральной чувствительности;

· коэффициента передачи модуляции;

· числа дефектов фоточувствительного поля;

· среднего квадратического напряжения шума и динамического диапазона;

· пороговой освещенности и пороговой экспозиции;

· токов утечки между электродами [4].



Список использованной литературы

1. Вейнберг И. Каталог цветного стекла. - М.: Машиностроение, 1967. 62 с.

2. ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация (с Изменением №1). Издание февраль 2002. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. - 5 с.

3. ГОСТ 25532-89. Приборы с переносом заряда фоточувствительные. Термины и определения. Переиздание. Электроника. Термины и определения. Часть 3: Сб. стандартов. - М.: Стандартинформ, 2005. с. 121-129

4. ГОСТ 28953-91. Приборы фоточувствительные с переносом заряда. Методы измерения параметров. Переиздание ноябрь 2004. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 30 с.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. - М.: Мир, 1984. - 456 с.

6. Костюков Е.В., Поспелова М.А., Пугачёв А.А. TCAD-модель фотоприемной ПЗС-ячейки с вертикальным антиблумингом // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2012. Сборник научных трудов/ под общ. ред. А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2012. - с. 207-212

7. Костюков Е.В., Пугачев А.А., Скрылев А.С., Шилин В.А. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Электронные компоненты, 2003 г., №4, с. 32-37

8. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. - М.: Наука, 1986. - 320 с.

9. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения / под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Виле, М. Уайта; пер. с англ. под ред. д-ра физ.-мат. наук Р.А. Суриса. - М.: Мир, 1979. - 573 с.

10. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1991. 264 с.: ил.

11. Приборы с зарядовой связью./ Под ред. М. Хоувза и Д. Моргана: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1981. - 376 с., ил.

12. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы: СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы. М.: Минздрав России, 2003. - 31 с.

13. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда / Пер. с англ. под ред. В.В. Поспелова, Р.А. Суриса. - М.: Мир, 1978. - 327 с.

14. Трудовой кодекс Российской Федерации. - М.: Эксмо-Пресс, 2015. - 240 с.

15. Федеральный закон Российской Федерации от 10 января 2002 г. №7-ФЗ Об Охране окружающей среды

16. Datasheet Sony B/W Video Camera CCD Image Sensor ICX429ALL [Electronic resource] URL: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet2/7/0trr7w0liecofpak05eegr1rytky.pdf

17. KODAK CCD Primer Charge coupled device (CCD) image sensor [Electronic resource] URL: http://www.kodak.com/US/en/digital/pdf/ccdPrimerPart2.pdf

18. KODAK interline image sensors photodiode charge capacity and antiblooming. April 21, 2009. - 7 p.

19. The Nobel Prize in Physics 2009 [Electronic resource] URL: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/

Размещено на Allbest.ru

...