Фотоприборы (Приборы) с зарядовой связью (ПЗС) Конструкции и характеристика

Привет, Вы узнаете о том , что такое Фотоприборы с зарядовой связью, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Фотоприборы с зарядовой связью, Прибор с зарядовой связью, ПЗС, Блуминг, Антиблюминг, CCD матрица , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Квантовая электроника.

Прибор с зарядовой связью ( ПЗС ) — это интегральная схема, представляющая собой совокупность МОП (металл-оксид-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структур, сформированных на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски электродов образуют линейную или матричную регулярную структуру. Частный случай применения приборов с зарядовой связью – использование в качестве ФотоПЗС.

1. Конструкция моп (мдп) -ячейки, перенос заряда и считывание сигнала.

Основой ПЗС является конденсатор со структурой МОП или МДП, способный хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием света. Цепочка из таких конденсаторов, связанных особым образом друг с другом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под воздействием управляющих напряжений от одного элемента структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются в потенциал или ток.

А

Рис. 1 Ячейка МОП-структуры: 1-подложка из p-кремния; 2-оксид; 3-проводящий электрод; 4-область СД

ктивной ячейкой, осуществляющей преобразование светового потока в электрический заряд, является конденсатор. На Рис. 1 показана такая ячейка, включающая в качестве основы подложку из р-кремния. Путем термического окисления на ее поверхности формируется слой оксида, на который наносится проводящий электрод. Если между электродом и подложкой приложить положительное напряжение Uэ, то под действием электрического поля под проводящим электродом будет образована зона, обедненная для основных носителей, в рассматриваемом случае для дырок — зона стоп-диффузии (СД) (указана штриховыми линиями). В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей заряда (здесь—электронов). Если заряды образовываются за счет фото- или термоэлектронной эмиссии, то значение заряда, накопленного за дозированное время, оказывается пропорциональным освещенности. На Рис.2 показано, как изменяется поверхностный потенциал UП (в относительных единицах) по мере накопления заряда Q (в относит

Рис. 2 Характеристика накоп-ления ячейки МОП - структуры

ельных единицах). На том же графике приведена зависимость шириныd обедненного слоя от величины накопленного заряда. Характер зависимости UП и d от Q определяется концентрацией легирующей примеси и толщиной слоя оксида. Рассмотрим механизм накопления заряда в ячейке МОП-структуры с учетом динамического характера потенциала UЭ, при неосвещенном фотоэлементе. После подачи на металлический электрод МОП-структуры положительного потенциала достаточно большой амплитуды в подложке образуется потенциальная яма. За счет тепловой генерации неосновных носителей в ячейке будет скапливаться заряд, его максимальная величина в зависимости от температуры и свойств материалов МОП-структуры образуется за время от сотых долей до единиц секунд и выше. Если ограничить значение заряда, возникающего под действием тепловой генерации (так называемый уровень лог. О), то можно определить максимальное время накопления и хранения заряда в ячейке, т. е. найти нижний предел рабочих частот накопительной ячейки. В реальных приборах при комнатной температуре обычно его устанавливают от единиц до десятков килогерц.

Рис.3

Электрическая модель ячейки памяти

На Рис.3 показана эквивалентная схема ячейки памяти где: генератор смещения Uсм отражает влияние встроенного в диэлектрике заряда, а также разность потенциалов в структуре, обусловленную разностью работ выхода из материала электрода (металла) и полупроводника: Uсм = QД/CД - м.п.; СП-емкость подложки; CД-емкость диэлектрика; генератор тока Iт.п, отражающий термогенерационные поверхностные токи Iт.п=jт.пSэ где jТ.П — плотность тока термогенерации на поверхностных состояниях (уровнях); rпг -сопротивление (нелинейное) натекания заряда из подложки, отражающее генерацию в переходном слое; Qns-максимальный заряд подвижных носителей, соответствующий равновесному режиму (стационарному); Qns макс = СД(Uэ - Uпор - Uп),

(1)

Где UПОР - пороговое напряжение МДП-ячейки.

Рис. 4 Линейный ПЗС (а), диаграммы для различных потенциалов и различных моментов времени (б-г) и временные диаграммы потенциалов (д)

На Рис. 4 показан фрагмент линейного ПЗС, выполненного на общей подложке. Расстояние между электродами настолько мало, что обедненные области при подаче на электрод положительного потенциала простираются практически до соседних электродов. Это условно указано на Рис. 4,б—г, где штриховой линией показано значение поверхностного потенциала в соответствующем участке структуры для различных моментов времени. Там же указан характер изменения во времени потенциалов на электродах структуры (Рис. 4, д). Линейка представляет собой трехфазную структуру, электроды которой соединены между собой через два. Как видно из Рис. 4, д, потенциалы электродов изменяются с циклической последовательностью. Зарядовый пакет, который за время накопления формируется под электродом Э1, после подачи на соседний электрод положительного потенциала (рис. 4,б, в) будет перемещаться под электрод Э2. Если потенциал, электрода Э1 будет уменьшен до исходного значения, то зарядовый пакет полностью переместится под электрод Э2 (Рис. 4,г). Аналогично зарядовый пакет может быть смещен под электрод ЭЗ и т. д. Цикличность изменения потенциалов электродов обеспечивает процесс перемещения зарядовых пакетов в направлении, указанном на Рис. 4,а стрелкой. В данном случае предполагается, что во время переноса зарядовых пакетов вдоль структуры освещение (накопление) зарядов прерывается.

Рассмотренная структура может быть использована для формирования СИ одной строки. Элементу изображения, соответствует ячейка из трех элементов структуры. Соседние зарядовые пакеты, изолированы друг от друга потенциальными барьерами электродов, находящихся под низким напряжением.

Рис. 5. Элемент считывания:

а - структура; б - электрическая модель; в - сигналы считывания при вводе и выводе заряда.

Считывание зарядов из ячейки памяти осуществляется следующим способом. На считывающий электрод (рис. 5,а) устанавливают фиксированный потенциал U = UОП, который может быть реализован с помощью разрядного транзистора (см. рис. 5,а). После того, как заряды попали в ячейку памяти, ее переводят в «плавающий» режим (отключением электрода от источника смещения UЭ= 0 UОП 0). При этом исчезает потенциальная яма и находящиеся в ней носители зарядов, начинают влиять на потенциал электрода. По его изменению судят о величине заряда находившегося в ячейке.

UВЫХ = Qns/СЭ.ЭКВ (2)

где СЭ.ЭКВ — эквивалентная емкость ячейки памяти в режиме считывания.

На рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 5.б приведена эквивалентная схема ячейки памяти с использованием разрядного транзистора для установки начального напряжения перед считыванием, где емкость Сн отражает емкостную нагрузку ячейки последующим устройством, СП – емкость подложки, СД – емкость диэлектрика. Считывание на «плавающем» электроде позволяет осуществлять определение величины заряда в ячейке под электродом как при переносе его под электрод, так и при удалении его из-под электрода. В первом случае установка уровня отсчета (опорного напряжения) осуществляется без информационного заряда Qns перед тактом его ввода в ячейку, во втором — установка уровня отсчета (опорного напряжения) осуществляется, когда информационный заряд находится в ячейке, а о величине заряда судят по изменению напряжения на электроде (управляющий сигнал с которого предварительно убран) после вывода заряда из ячейки.

Рис. 6. Зависимость максимального заряда от амплитуды управляющего напряжения

На рис. 5.в приведены временные диаграммы выходного напряжения для режимов считывания при вводе заряда Qj и выводе заряда Qi. Уровень потенциала UВЫХ = UОП соответствует заданию опорного уровня на электрод ячейки памяти, UФ.Р — управляющее разрядным транзистором напряжение. При вводе заряда (в данном случае электронов для ячейки с n-каналом) напряжение на электроде уменьшается (UВЫХ = Qj/СЭ.ЭКВ); при выводе заряда Qi -увеличивается (UВЫХ = - Qi/CЭ.ЭКВ>0). При вводе или выводе заряда из ячейки памяти, напряжение на электроде которого установлено предварительно равным UОП, ячейка переходит из одного нестационарного состояния в другое, отличающееся потенциалом электрода на величину, которая практически равна изменению напряжения на переходном слое канал—подложка, т. е. изменению поверхностного потенциала. Емкость Сэ.экв = СдСп/(Сд+Сп) +СН определяется (см. рис. 4) практически емкостью переходного слоя и емкостью нагрузки Сэ.экв = Сп+Сн, поскольку обычно Сд>>Сп. Заряд из ячейки памяти считывается как бы через разделительную емкость Сд, находясь на емкости Сп.

2. Основные параметры и характеристики фпзс.

Амплитуды управляющих импульсов (Рис 6) подаваемых на управляющие электроды (Uхр, Uс ~ 5—20 B).

В реальных условиях значение заряда по мере передачи пакета вдоль структуры не остается неизменным. Для количественной оценки эффективности переноса зарядовых пакетов используют показатель эффективности передачи заряда или коэффициент потерь (неэффективность передачи) П = (Qi c - Q(i+1)c)/Qi c, где Qс— значение полезного заряда в i-й и i+1-й ячейках структуры. Для ПЗС-структур П =10-4... 10-5. Частотная зависимость коэффициента потерь приведена на Рис. 7. Существуют специальные меры для уменьшения коэффициента потерь.

Рис. 7.

Частотная зависимость коэффициента потерь

Максимальная тактовая частота. Быстродействие ПЗС-структур лимитируется временем переноса заряда из одной накопительной ячейки в другую. Это время достигает единиц наносекунд. Поэтому максимальные тактовые частоты для ПЗС-структур составляют десятки и сотни мегагерц (fтакт = 10—100 МГц). Таким образом, указанные диапазоны работы ПЗС-структур обеспечивают успешное их применение в ТВ системах (ТВС) с параметрами вещательного стандарта.

Максимальная и минимальная плотности зарядового пакета (Qn,макс ≈ 50 нКл/см2; Qn,мин ≈ 50 пКл/см2).

Динамический диапазон (D = 20 lg Qn,макс/Qn,мин ≈ 60—80 дБ).

Плотность темнового тока (Iт = 10-10—10-9 А/см2) Темновой ток – результат спонтанной генерации электронно-дырочных пар. Для его уменьшения требуетса охлаждение кристалла(-400С).

Уровень шумов. В первую очередь источником шумов является сам световой поток. То есть число фотоэлектронов, накопленное в ячейке, определено с точностью до квадратного корня из их числа (статистика Пуассона). Например, зарядовый пакет в 10000 электронов от кадра к кадру будет флуктуировать со среднеквадратическим отклонением в 100 электронов. Точно такой же статистике подвержен и темновой сигнал, и, следовательно, суммарный (световой + темновой). Для качественных приборов, где низкий темновой ток и неэффективность переноса, доминирующим источником шума будет выходное устройство. Для современных приборов на частоте порядка 100 кГц типовым считается шум выходного устройства 3–6 электронов (при охлаждении), а в лучших приборах достигается цифра 2 электрона. Поскольку заряд насыщения (максимальная величина зарядового пакета, передаваемого без искажений) составляет, как правило, 200–500 тыс. электронов, то динамический диапазон ПЗС достигает примерно 100–110 дБ; это примерно 18 или 19 бит.

Для характеристики ФПЗС кроме перечисленных выше параметров указываются спектральный диапазон ( Δλ = 0.4—1.1 мкм ), фоточувствительность (Sф = 0,1—0,5 А/Вт). Следует обратить внимание на то, что фоточувствительность преобразователей на ПЗС снижается за счет поглощения света в электродах (при освещении с рабочей стороны). Для ослабления этого эффекта стремятся к увеличению прозрачности электродов, как правило, за счет уменьшения их толщины (до десятков нанометров). Другим способом является вытравливание в электродах окон так, чтобы светочувствительные области были открыты для воздействующего света. В последнем случае применяют известные из оптики способы просветления за счет нанесения тонких пленок. Вариантом уменьшения нерационального поглощения света является использование освещения со стороны кремниевой подложки. Этот способ технологически весьма сложен, что связано с необходимостью существенного уменьшения толщины подложки (примерно до 10 мкм). Все способы снижения неэффективного поглощения света приводят к повышению чувствительности в коротковолновой части спектра излучения.

Максимальная и минимальная экспозиции (Hмакс ≤ 300 нДж/см2, Hмин ≥ 300 пДж/см2), разрешающая способность (r = 10—50 линий/мм).

Конструкция фпзс

Кроме ПЗС простейшей структуры (Рис. 4) получили распространение и другие их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами (рис. 8,а), в которых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами, и приборы с асимметрией приповерхностных свойств (например, слоем диэлектрика переменной толщины — рис. 8,б), работающие в двухтактовом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объемным каналом (рис. 8,в), образованным диффузией примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объеме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинационных центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значения fтакт и уменьшение  по сравнению со всеми разновидностями ПЗС с поверхностным каналом.

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

Рис. 8 Разновидности приборов с зарядовой связью с поверхностным

(а, б) и объемным (в) каналами.

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

По принципу накопления и считывания информации ФПЗС делятся на линейные и матричные.

В линейном ФПЗС (рис. 9, а) заряды, накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из четных элементов) и в регистр 3 (из нечетных). В то время, как по этим регистрам информация передается через выход 4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр.

В ФПЗС с кадровым переносом (рис. 9, 6) информация, воспринятая матрицей накопления 1, быстро «сбрасывается» в матрицу хранения 2, из которой последовательность считывается ПЗС-регистром 3; в это же время матрица 1 накапливает новый кадр.

Рис. 9

Накопление и считывание информации в линейном (а), матричном (б) ФПЗС.

4. Блуминг и Антиблюминг .

Блуминг (или блюминг) (англ. blooming — ореол, расплывание изображения) в ПЗС — это эффект «растекания» избыточного заряда от пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Основная причина возникновения — ограниченная емкость потенциальной ямы для фотоэлектронов в ячейке. Блуминг имеет характерную симметричную форму, определяемую геометрией расположения элементов на матрице. Приблизительно с 2006 года в большинстве любительских устройств блуминг больше не появляется, так как в них стали использоваться специальные антиблуминговые цепи, которые отводят избыточные электроны из ячеек. Однако, отвод электронов по мере заполнения потенциальной ямы приводит к нелинейности характеристики ПЗС и затрудняет измерения. Поэтому в научных целях по-прежнему применяются ПЗС без антиблуминговых цепей, и блуминг часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов.

Антиблюминг - это устойчивость к локальным пересветкам. Из-за явления фиксации поверхностного потенциала скрытый канал запереть нельзя, поэтому с ростом сигнального заряда в потенциальной яме потенциал канала в ней уменьшается, и когда он достигнет значения потенциала в канале под соседним электродом, заряд просто начнет переливаться через этот незапертый участок канала в соседний элемент – причем в обе стороны. На картинке это проявляется в виде вертикального расплывания ярких деталей изображения. Это явление и называется оптической пересветкой (blooming), и если в системах регистрации слабых сигналов с ним еще можно мириться (в силу невысокой вероятности с ним столкнуться и возможности изменить время накопления), то в камерах для ТВ оно совершенно недопустимо.

Борются с блюмингом разработкой специальной конструкции ячеек. Первый способ (горизонтальный антиблюминг) состоит в том, что вдоль каждого столбца фоточувствительных ячеек прокладывается узкая стоковая область, находящаяся под большим положительным потенциалом и отделенная от накапливающей сигнальный заряд потенциальной ямы некоторым барьером, потенциал канала в котором (иногда управляемый отдельным затвором) выше, чем барьер, отделяющий ячейки друг от друга. В этом случае избыточный заряд будет переливаться в сток, и искажения сигнала в соседних элементах не возникает. Если используется специальный затвор управления антиблюмингом, то появляется возможность принудительной очистки заряда из накопительной ячейки даже без ее переполнения, что есть не что иное, как электронная регулировка экспозиции.

Ценой горизонтального антиблюминга является некоторое снижение коэффициента заполнения (область стока не может дать вклад в сигнал), и увеличение размеров ячейки, что для приборов с малым размером ячейки неприемлемо. В матрицах для ТВ, где размер ячейки, как правило, менее 10 мкм, для борьбы с блюмингом применяется другой, весьма эффективный способ – вертикальный антиблюминг. При этом стоковая область располагается не рядом, а под накопительной ячейкой, следовательно, увеличения площади ячейки не требуется. Ячейка здесь имеет структуру не просто n+p, как в обычном скрытом канале, а n+pn–, причем средний p-слой служит как бы "подложкой", а собственно n––подложка – стоком антиблюминга. При правильном выборе параметров легирования слоев (и при тщательном их соблюдении в процессе изготовления!) избыточный заряд из ячейки будет сливаться не вбок, а вниз. Платой за это, помимо сложной технологии, является сильный спад ИК чувствительности прибора, что для приборов цветного телевидения не является критическим.

5. Применение пзс.

Многообразие ПЗС не исчерпывается рассмотренными выше типами. Так, широкое распространение находят линейки ПЗС – как для считывания одномерных изображений (например, штрих-коды), так и в системах, где имеется механическая развертка по одной координате. Простейшие примеры – телефакс и сканер. Менее очевидные применения – системы наблюдения за земной поверхностью с космических аппаратов или самолетов, где используется движение самого аппарата относительно Земли.

Разновидностью приборов для систем с механической разверткой являются приборы ВЗН – с временной задержкой и накоплением. Их организация тождественна односекционным ПЗС с КП, но отличаются они режимом тактировки по вертикали: секция тактируется непрерывно, причем тактовая частота подбирается такой, что скорость перемещения зарядового рельефа равна скорости перемещения изображения; при этом каждый элемент изображения дает вклад в один и тот же зарядовый пакет, что, очевидно, увеличивает чувствительность ВЗН по сравнению с обычными линейками в число строк раз. Именно ВЗН широко применяются в космической аппаратуре для наблюдения за земной поверхностью. Число строк в таких приборах колеблется от 64 до 256, а число элементов по горизонтали – от 1024 до 4096.

Следует отметить, что приемники изображения – не единственное применение ПЗС. Так, добавив к регистру ПЗС устройство ввода электрического сигнала, можно получить аналоговую линию задержки, причем время задержки определяется как числом элементов регистра, так и тактовой частотой, а значит, может легко изменяться. В качестве элемента регистрации зарядового пакета можно использовать не только плавающую диффузию, но и плавающий затвор, характеризующийся неразрушающим считыванием, т. е. получить регистр с отводами. Такие регистры являются основой трансверсальных фильтров, широко применяющихся, например, в обработке радиолокационных сигналов.

CCD матрицы и их особенности

CCD-матрица (charge-coupled device, ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) – один из видов матриц, применяемых в современном видеонаблюдении. Тесно конкурирует с CMOS-аналогами. В состав элемента входит поликремний, искусственно отделенных от кремниевой подложки. При возрастания напряжения происходит увеличение электрических потенциалов, считываемых диодами.

Работа системы в общем виде происходит следующим образом:

• До начала съемки все элементы находятся в одинаковом состоянии. Отсутствует разброс в параметрах напряженности;

• После начала экспонирования происходит накопление электронов, появившихся после попадания светового луча на конкретный участок. От силы света зависит, насколько высоким будет итоговое напряжение;

• Определяется итоговое напряжение на каждом электроде. Исходя из него и других параметров можно судить о силе света. При расшифровке сигнала будет определен и цвет объекта, попавшего в кадр.

Преимущества матрицы CCD

Положительные особенности ПЗС-технологии:

· Малое количество шумов;

· Высокая светочувствительность. Улавливаются практически все фотоны, поступившие на матрицу;

· Чувствительны к инфракрасному спектру;

· Отсутствует эффект «rolling shutter» - движущиеся объекты снимаются без искажений.

Применить камеру на базе элемента данного типа можно для слабо освещенных территорий, высоких требованиях к качеству.

Недостатки

Существуют особенности, ограничивающие сферу применения CCD матриц:

· Высокая стоимость, связанная с большими затратами при производстве;

· Считается менее надежной, чем CMOS, поскольку структура самой матрицы является более сложной – значит, подверженной поломкам;

· Повышенное потребление электроэнергии.

С развитием техники надежность и функциональность элементов возрастает, поэтому они все еще остаются альтернативой, о которой следует помнить.

Классификация

В зависимости от сферы применения, требований к параметрам, CCD бывают:

• Различающимися по светочувствительности;

• Имеющими полнокадровую матрицу. Сенсор считается одним из простейших;

• С буферизацией столбцов – заряды считываются по направлению сверху вниз;

• С буферизацией кадра – увеличивается число кадров в секунду;

• С ортогональным переносом изображения, снижающим потери от вибраций, помех;

• Отличающимися по размеру. В характеристиках к камере он указывается в дюймах.

Матрица применяется в охранном видеонаблюдении.

При правильном выборе удастся вести качественную съемку при плохой освещенности, наблюдении за быстро перемещающимися объектами.

Исследование, описанное в статье про Фотоприборы с зарядовой связью, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Фотоприборы с зарядовой связью, Прибор с зарядовой связью, ПЗС, Блуминг, Антиблюминг, CCD матрица и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Квантовая электроника