Физические принципы работы приборов с зарядовой связью

Рисунок 6 - Двухфазная структура линейного ПЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Классификация матричных преобразователей свет-сигнал

 

Как теле-, так и видеокамеры требуют использования в них преобразователей свет-сигнал, способных формировать сразу целое изображение, сфокусированное оптической системой на светочувствительной поверхности пробора с зарядовой связью. Для этого используются многие тысячи светочувствительных датчиков, объединенных в матрицу. Такой двумерный массив получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп-каналы -это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы. Аналоговый метод работы сдвигового регистра используется для переноса зарядов, генерируемых светочувствительными датчиками, из этой секции на выходной терминал прибора.

Число элементарных конденсаторов (элементов) по горизонтали определяет горизонтальное разрешение, а число элементов по вертикали жестко привязано к телевизионному стандарту.

Существуют два способа  засветки ПЗС: прямая (со стороны электродов) и обратная. Прямая засветка характеризуется низким коэффициентом пропускания из-за непрозрачности электродов. Этот недостаток принципиально неустраним. Широко используемые в технологии ПЗС пол и кремниевые электроды, хотя и являются полупрозрачными, плохо пропускают излучение сине-голубой области спектра. Вследствие интерференционных эффектов, возникающих в многослойной структуре, на спектральной характеристике появляются пики и провалы.

При обратной засветке излучение  проходит через подложку, прозрачность и однородность которой значительно выше. Важной особенностью режима обратной засветки является сильное диффузное расплывание зарядового пакета, так как расстояние, которое должны пройти заряды от зоны фотогенерации до обедненного слоя значительно больше, чем в режиме прямой засветки. Спектральная характеристика при этом имеет вид плавной кривой (рисунок 7) Оптимизация толщины слоев многослойного покрытия позволяет повысить коэффициент пропускания. Другим способом повышения этого коэффициента и, следовательно, улучшения спектральной чувствительности является замена электродов из поликремния на проводящие окислы металлов (олова, индия, сурьмы), характеризующиеся более высокой прозрачностью, в том числе, и в сине-голубой области спектра.

Рисунок 7.

1-прямая засветка

2-обратная засветка

При разработке двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания. По способу накопления и переноса зарядовых макетов матрицы делятся на три вида. Первый - это приборы со строчным переносом зарядов (Interline Transfer - IT), второй - с кадровым переносом или Frame Transfer - FT и, наконец, третий - с кадрово-строчным переносом или Frame Interline Transfer - FIT (рисунок 8)

 

 

 

Рисунок 7 - Основные разновидности  матриц приборов с зарядовой связью

а) структура матрицы с  кадровым переносом зарядов (ПЗС КП);

б) структура матрицы с строчным переносом зарядов (ПЗС СП);

       в) структура матрицы с кадрово-строчным переносом зарядов (ПЗС КСП)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Принципы кадрового переноса зарядов

Первые формирователи  видеосигнала на ПЗС использовали принцип  кадрового переноса зарядов, который  является самым простым, а поэтому  наиболее удобным в производстве и эксплуатации матриц. В матрице данного типа кремниевая интегральная схема как бы разделена на две секции. Верхняя половина представляет собой секцию светочувствительных датчиков, накапливающих заряды (создающих потенциальный рельеф). Нижняя же часть полностью замаскирована, чтобы на нее не мог попасть световой поток. Эта половина матрицы представляет собой секцию хранения (памяти) зарядов, равную по площади секции накопления, и считывающего регистра. В этой секции происходит последовательное считывание зарядовых пакетов. Упрощенная конструкция такой матрицы представлена на  рисунке 9. Реально, конечно, матрица состоит из гораздо большего числа элементов.

В процессе телевизионной  развертки во время активной части  поля па секцию накопления заряда проецируется изображение, формируемое объективом, а вторая половина матрицы (секция хранения заряда) защищена от попадания какого-либо света (и, следовательно, от увеличения заряда на ней). Потенциальный рельеф формируется на всей площади изображения.

За время кадрового  гасящего импульса накопленные заряды с большой скоростью последовательно движутся в вертикальном направлении в секцию хранения. Во время накопления в фотоприемной секции следующего телевизионного кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется в интервале строчного гасящего импульса.

 

а) режим формирования зарядов; б) режим переноса зарядов

1 - фотодатчик; 2 заряды, пропорциональные падающему световому потоку; 3 - секция накопления зарядов; 4 - оптическая маска; 5 - секция хранения зарядов; 6 - выходной терминал; 7 - считывающий регистр

Рисунок 9 - Конструкция матрицы  ПЗС с кадровым переносом зарядов

 

Поскольку заряд, соответствующий  какому-либо пикселю, проходит через  области других пикселей, необходим  затвор, который перекрывал бы доступ света из объектива на время переноса. Далее затвор снова открывается для следующего телевизионного кадра, а в это время (активная часть строки) зарядовые пакеты поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, где двумерная сетка распределения интенсивности засветки (потенциальный рельеф) преобразуется в сигнал с изменяющимся напряжением).

Перенос зарядов отдельных  строк из секции памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время обратного хода строчной развертки, а выход зарядов строки из регистра в выходное устройство - во время прямого хода строчной развертки.

Таким образом, в матрице  с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема:

- в перенос из секции  накопления в секцию памяти;

- перенос из секции  памяти в сдвиговый регистр;

- перенос из сдвигового  регистра в выходное устройство.

Простая электродная структура  позволяет компактно расположить  ячейки матрицы.

На практике матрицы ПЗС  КП оказались малопригодными для камер цветного телевидения из-за недостаточной чувствительности в синей области видимого спектра излучения. Это объясняется тем, что поликремниевые электроды, толщину которых для обеспечения достаточной проводимости приходится выбирать равной примерно 0,5 мкм, сильно поглощают синюю составляющую спектра и практически не пропускают ее в подложку.

Серьезным недостатком матриц ПЗС КП является смаз, т.е. появление вертикальных светлых столбов от ярких участков на изображении (рисунок 10). В ПЗС КП из-за того, что во время покадрового переноса (а он осуществляется достаточно продолжительное время, порядка 1 мкс) накопленных зарядов из секции накопления в секцию памяти свет продолжает попадать в секцию накопления, образуя новые пакеты зарядов, которые добавляются к переносимым пакетам. В последующих полях появляется смаз в виде отрезка белой вертикальной полосы, следующей за очень ярким объектом (рисунок 10). Отрезок вертикальной белой полосы перед ярким объектом соответствует паразитным зарядам, накопленным в секции накопления во время переноса полезных пакетов зарядов в первом и последующих полях и считываемых из нее во втором и последующих полях.

 

 

1 - экран; 2 - яркая деталь изображения; 3 — двусторонние вертикальные тянущиеся продолжения (смаз) от яркой детали изображения

Рисунок 10 - Изображение яркой детали на экране видеомонитора при наличии смаза

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Особенности построчного переноса зарядов

В матрицах со строчным переносом  зарядов светочувствительные ячейки расположены между вертикальными ПЗС регистрами сдвига, заэкранированными от света алюминиевой маскирующей пленкой (рисунок 11) . Секция хранения зарядов отсутствует (ее роль выполняют вертикальные регистры), что при заданном оптическом формате изображения приводит к уменьшению площади кристалла.

Во время кадрового  гасящего импульса все накопленные в светочувствительных ячейках заряды переносятся за один такт в рядом расположенные потенциальные ямы вертикальных ПЗС регистров, из которых далее построчно переносятся в горизонтальный регистр во время строчного гасящего импульса. Из горизонтального регистра заряды считываются во время активной части строки и преобразуются в выходное напряжение во встроенном усилителе.

1 - регистр вертикального сдвига; 2 - фотодатчик; 3 - горизонтальный считывающий регистр; 4 - оптическая маска; 5 - выходной терминал

Рисунок 11 - Конструкция матрицы  ПЗС с построчным переносом зарядов

 

Поскольку в подобной конструкции  функции светочувствительных датчиков и регистров сдвига разделены, каждая из этих структур может быть оптимизирована. Рассматриваемый преобразователь обладает высокой эффективностью переноса зарядов, при этом обеспечиваются хороший динамический диапазон видеосигнала и сверхнизкий уровень структурных шумов в изображении.

При наличии ярко освещенных деталей изображения в матрицах ПЗС СП также возникает вертикальный смаз (см. рисунок 10). Однако, здесь он обусловлен другими причинами. В первых моделях телекамер, использовавших ПЗС с построчным переносом, искажения были вызваны действием фотонов света, глубоко проникающих под алюминиевый экран над вертикальным ПЗС-регистром - в полупроводниковую структуру преобразователя. Например, в ранних моделях матриц ПЗС СП смаз составлял 3%. Переход к матрицам ПЗС СП с объемными стоками избыточных зарядов позволил уменьшить смаз до 0,2%. Затем и это значение было уменьшено в 12 раз до 0,016% за счет исключения сравнительно толстого (до 1,8 мкм) слоя фосфор-силикатного стекла под алюминиевым экраном и заменой его тонким (0,2 мкм) слоем окисла, что резко снизило паразитную засветку. Фирма Sony в своих матрицах ПЗС СП снизила уровень смаза до 0,01% за счет уменьшения подтекания зарядов в ПЗС-регистр путем увеличения сопротивления подложки, а также за счет введения р-кармана под вертикальными регистрами.

Для обеспечения чересстрочной  развертки в матрицах ПЗС СП могут  использоваться два способа накопления и считывания зарядов из светочувствительных  ячеек в вертикальные регистры. В  первом из них в четных полях считываются  заряды из всех четных ячеек, а в  нечетных полях - из всех нечетных ячеек. Время накопления зарядов в каждой ячейке в этом случае равно длительности телевизионных кадров (40 мс), что приводит к уменьшению динамического разрешения для движущихся деталей изображения по сравнению с матрицами ПЗС КП где время накопления зарядов равно длительности поля (20 мс). Для устранения этого недостатка в последнее время в качестве основного используется второй способ считывания зарядов с двух соседних ячеек одновременно с номерами 1+2, 3+4,... в первом поле и 2+3, 4+5, ... во втором. В результате время накопления зарядов становится равным длительности одного поля телевизионной развертки. т.е. 20 мс (рисунок 12). Недостаток второго способа заключается в некотором снижении вертикальной разрешающей способности.

Рисунок 12. Иллюстрация принципа накопления заряда в течение телевизионного поля

Отмеченный недостаток можно  устранить, если в четных полях считывать заряды из всех четных ячеек, а заряды из нечетных удалять. В нечетных же полях нужно считывать заряды из нечетных ячеек, заряды из четных ячеек во время того же полевого гасящего импульса удалять в специальные стоки. Следует заметить, что в предлагаемом режиме считывания зарядов вдвое снижается чувствительность матрицы.

Для увеличении чувствительности матриц ПЗС СП в синей части  спектра видимого излучения толщину  поликремниевых затворов выбирают очень тонкой (50... 100 нм) и с таким расчетом, чтобы результирующая спектральная характеристика (с учетом интерференции света, отраженного от границ раздела поликремний-двуокись кремния-кремний) имела максимум излучения в сине-зеленой части видимого спектра (рисунок 13). Однако полученная форма спектральной характеристики МОП-конденсатора не всегда позволяет получить наивысшее качество цветопередачи, требуемое для вещательного телевидения. Кроме того, в матрицах ПЗС СП с МОП-конденсаторами фирмы Sony используются поверхностные стоки для избыточных зарядов при локальных пересветах. В результате активная площадь светочувствительных ячеек оказывается сравнительно небольшой (около 23%). Поэтому в последнее время многие зарубежные фирмы, в том числе и фирма Sony, стали применять в качестве светочувствительных ячеек в матрицах ПЗС СП фотодиоды различной конструкции в совокупности с объемными стоками для удаления избыточных зарядов.

 

1 - с МОП-конденсаторами; 2 - с фотодиодами