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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

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

 

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

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

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

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

Рис.17. Строчная организация матричного ФСИ:

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

 

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

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

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

 

Рис.18. Прибор с инжекцией заряда:

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

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

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

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

ФСИ с адресной организацией имеют и ряд недостатков. При считывании ток сигнала по амплитуде незначительно отличается от паразитного тока, поэтому формирователь имеет малый динамический диапазон (около 10: 1), и кроме того, на выходе необходимо иметь очень чувствительные пороговые схемы. Время считывания оказывается значительным (порядка нескольких микросекунд), что обусловлено временем рекомбинации инжектированных из светочувствительного элемента дырок с электронами подложки. Для управления покоординатной выборкой требуются мощные сдвиговые регистры, занимающие большую площадь кристалла. Например, в ФСИ с полной телевизионной разрешающей способностью (500X500 элементов) каждый разряд сдвигового регистра должен обеспечить формирование импульсов на 500 электродах, общая емкость которых может достигать 20 пФ. Если длительность фронтов импульсов должна быть меньше 100 нс, то ширина каналов МДП-транзисторов должна быть больше 100 мкм. Еще одним недостатком является меньшая, чем в обычных ПЗС, степень интеграции, так как адресная выборка требует большого количества пересекающихся шин, кроме того размеры самого элемента больше.

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

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

 

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

 

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

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

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

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

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: