ПЗС-фотоприемники. 
Электроника

Эти фотоприемники относятся к классу многоэлементных интегральных приборов (интегральных схем), не имеющих аналогов среди дискретных полупроводниковых приборов. Наибольшее распространение получили матричные фото-ПЗС. В настоящее время приемники такого типа находят широкое применение в астрономии, в телевизионной технике, в цифровых фотоаппаратах и других сферах, где используется видеотехника. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матрид с размерами пиксела порядка нескольких мкм позволило использовать их в микрохирургии, микробиологии, микровидеоптике. ПЗС применяются в устройствах специального назначения, в космической технике и других отраслях науки и промышленности.

Основные физические процессы в фото-ПЗС, во многом их устройство и особенности переноса информации не сильно отличаются от обычных ПЗС, рассмотренных в гл. 10, поэтому здесь будут отмечены некоторые функциональные особенности и специфические параметры и характеристики фото-ПЗС.

Формирователи сигналов изображений на ПЗС по сравнению с ЭЛТ различного устройства характеризуются конструктивной и технологической простотой, малыми габаритными размерами и массой, большой долговечности) и надежностью и малой потребляемой мощностью. Конструктивно-технологическое интегрирование функций фоточувствительных и сканирующих элементов в одном приборе, обусловленное самосканированием, осуществляемым в ПЗС за счет передачи зарядовых пакетов на выход формирователя сигналов изображений, является весьма перспективным для создания полностью твердотельных формирователей сигналов изображения.

ПЗС-элементы в формирователе сигналов изображений, как и обычные ПЗС (гл. 10), работают в трех режимах: восприятие (интегрирование) изображения, когда происходит преобразование светового потока в зарядовые пакеты (в обычных ПЗС преобразуются электрические сигналы в заряды); хранение зарядовых пакетов; передача (сканирование—считывание) зарядовых пакетов на выход устройства.

В режиме восприятия изображений световой поток, отраженный от объекта, поступает на поверхность ПЗС и вызывает генерацию электронно-дырочных пар в полупроводниковой подложке. В потенциальных ямах ПЗС носители разделяются, в результате чего накапливается пространственно-распределенная структура зарядовых пакетов, соответствующая воспринимаемому образу объекта.

Широкое распространение получили две разновидности формирователей сигналов изображений на ПЗС: линейные (строчные), регистрирующие за период интегрирования одну линию изображения, и матричные (плоскостные), в которых записывается весь образ сразу. При этом в обоих случаях используются либо временное, либо пространственное разделение режимов восприятия и сканирования.

При временном разделении функции восприятия и сканирования выполняются одними и теми же элементами за счет схем управления. При пространственном разделении ПЗС включает светочувствительную область, которая принимает световой поток и преобразует его в картину распределения зарядов, и область хранения, защищенную от света, в которую после интегрирования передается вся картина распределения зарядов и затем в режиме сканирования информация из этой области поступает на выход.

При временном методе все элементы ПЗС используются как светочувствительные ячейки, что позволяет получить максимальное разрешение. К недостаткам можно отнести: усложнение управляющих схем; влияние засветки, поскольку за время кадра изображение не только воспринимается, но и передается.

При пространственном разделении для получения той же разрешающей способности требуется удвоенное количество элементов, а, следовательно, и увеличение площади кристалла. Достоинством метода является увеличение длительности интегрирования и защищенности от света области сканирования.

Для реализации указанных методов используются четыре основных способа организации матричных формирователей сигналов изображений на ПЗС: кадровая, строчная, строчно-кадровая, адресная.

При кадровой, строчной и строчно-кадровой организации формирователей сигналов изображения на ПЗС требуется отсутствие дефектов во всех элементах матрицы. Неисправность одного элемента вызывает потерю информации всего передающего столбца или строки. Адресная организация устраняет этот недостаток, поскольку в этом случае информация покоординатно выбирается из отдельных элементов и реализуется в ПЗС с инжекцией заряда в подложку. В этой разновидности ПЗС зарядовая связь существует в парях МДП-конденсаторов, связанных между собой с помощью р-области. Затворы конденсаторов, подключенных соответственно к горизонтальной и вертикальной шинам ПЗС, представляют собой матрицу таких светочувствительных пар. Другим достоинством адресной организации является то, что для считывания зарядового пакета из любого элемента требуется только один перенос заряда, поэтому практически отсутствуют потери зарядового пакета и искажения передаваемой информации. К недостаткам этого способа относятся: малый динамический диапазон из-за малости тока сигнала, сравнимого с паразитными токами; необходимость иметь чувствительные пороговые схемы на выходе; относительно большое время считывания (несколько мкс), что обусловлено временем рекомбинации инжектированных из светочувствительного элемента дырок с электронами подложки; для управления покоординатной выборкой необходимость использования мощных сдвиговых регистров, занимающих большую площадь кристалла; меньшая, чем в обычных ПЗС, степень интеграции из-за большого количества пересекающихся шин и больших размеров кристалла.

Совершенствование технологии изготовления позволяет существенно улучшить параметры таких ПЗС.

Структура пиксела ПЗС-матриц, применяемых в цветном телевидении, отличается от структуры пиксела черно-белых матриц. Пиксел цветной матрицы состоит из комбинации трех пикселов, каждый из которых с помощью соответствующего фильтра регистрирует свет либо в красной, либо в зеленой, либо в голубой части оптического спектра. Таким образом, с каждого элемента цветной ПЗС-матрицы снимается три сигнала.

ПЗС в качестве приемников изображения изготавливают с полихромными электродами, получаемыми осаждением кремния из газовой фазы. После легирования бором или фосфором его можно использовать в качестве проводящего слоя. Термическое же окисление поликремния позволяет получить качественный межфазный диэлектрик, а его прозрачность облегчает использование ПЗС в качестве приемников изображения. Применение этой технологии позволяет осуществлять прием света не со стороны электродов, а с противоположной стороны, что приводит к ряду преимуществ, поскольку, в частности, уменьшаются потери из-за поглощения и отражения света электродами и межсоединениями.

Основными специфическими параметрами и характеристиками ПЗС как приемников изображения, помимо характеристик обычных ПЗС, являются:

• — светочувствительность;
• — пороговая светочувствительность;
• — область спектральной чувствительности;
• — разрешающая способность;
• — время интегрирования;
• — частотно-контрастная и светосигнальная характеристики;
• — динамический диапазон.

Рассмотрим коротко некоторые из перечисленных параметров и характеристик.

Одним из основных факторов, определяющих светочувствительность (фоточувствительность), является коэффициент поглощения а (см. п. 17.1). Коэффициент а резко уменьшается при увеличении длины волны света X. Поэтому область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в информационные заряды, называемая областью спектральной чувствительности_у ограничена. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния она составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница ограничена величиной 0,3—0,4 мкм из-за сильного поглощения коротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое, где происходит интенсивная рекомбинация фотогенерируемых носителей заряда. Светочувствительность (чувствительность) тесно связана с квантовой эффективностью, представляющей отношение числа зарегистрированных (принятых) зарядов к числу поступающих на светочувствительную область ПЗС фотонов. Квантовая эффективность — это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоносителей в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку коэффициент преобразования заряда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода, являющегося отношением числа образовавшихся в полупроводнике фотоносителей к числу поступающих на полупроводник фотонов. Чувствительность и квантовая эффективность связаны между собой линейной зависимостью. Часто чувствительность делят на интегральную (суммарную во всем спектральном диапазоне приемника) и монохроматическую, которая измеряется в мА/Вт и характеризуется потоком излучения в спектральной полосе шириной 1 нм.

Пороговая светочувствительность часто определяется как минимальная (пороговая) освещенностью объекта, при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальная (пороговая) освещенность матрицы. Минимально возможное значение освещенности обусловлено темповыми токами в каждом элементе матрицы.

От числа элементов ПЗС-матрицы напрямую зависит один из основных параметров приборов изображения — разрешающая способностью на которую также влияют характеристики электронной схемы обработки сигналов и оптики. Разрешающая способность определяется как максимальное количество черных и белых полос (т. е. количество переходов от черного к белому, формируемых штриховой мирой с различными пространственными периодами расположения черных и светлых штрихов), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте. За единицу измерения разрешающей способности принимается телевизионная линия (ТВЛ). Разрешение по вертикали у большинства камер ограничивается телевизионным стандартом — 625 строк телевизионной развертки, а по горизонтали камеры имеют разрешение 570 и более ТВЛ. Эффективное разрешение цветных камер хуже примерно на 30—40°/", чем черно-белых, поскольку особенности формирования цветного изображения требуют дополнительных элементов, что приводит к дополнительным потерям.

Характеристики фотоприемных матриц отражают их функциональные возможности по преобразованию оптической информации в электрический видеосигнал. Светосигнальная и частотно-контрастная характеристики достаточно полно описывают свойства матричных ПЗС-фотоприемников. Светосигнальная характеристика (рис. 16.28, а) связывает выходное напряжение ?/_вых с входной освещенностью Е, где точка 1 соответствует темновому напряжению 17_т на выходе матрицы при Е = 0; точка 2 соответствует режиму насыщения, когда потенциальная яма заполнена; точка 3 является рабочей точкой.

Напряжение насыщения на выходе матрицы ?/_нас зависит от глубины потенциальной ямы используемых МДП-структур и соответствует заполнению ямы зарядами. Дальнейшая фотогенерация носителей (увеличение Е > Е_н) не приводит к увеличению накапливаемого заряда, а следовательно, не приводит и к возрастанию выходного видеосигнала.

Рис. 16.28.

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) определяет разрешающую способность матрицы, т. е. возможность приемника различать мелкие детали изображения. ЧКХ (рис. 16.28, б) — это зависимость коэффициента модуляции входной освещенности.

^К" = (^Е" «кс — ^Емин)/(^Емякс + ^Емин) (^Е.акс> ^Ем»" ~ Соответственно освещенность в изображении светлого и темного штриха миры) от параметра ^_пр — пространственный частоты миры (величины, обратной пространственному периоду штриховой миры, т. е. расстоянию, равному сумме ширин соседних светлого и темного штрихов). Большие значения Р_пр соответствуют меньшему расстоянию между штрихами; Р характеризуется числом линий на мм (лин/мм). Ход кривой ЧКХ зависит от тех же факторов, что и разрешающая способность прибора.

Важным параметром ПЗС является динамический диапазон, определяемый как отношение максимально возможного сигнала, сформированного светоприемником, к его собственному шуму. Для ПЗС этот параметр определяется как отношение наибольшего зарядового пакета, накапливаемого в пикселе, к шуму считывания. Динамический диапазон ПЗС достигает значения 50 000.

Источниками шумов в ПЗС являются: фотонный шум, шум темнового сигнала, шум считывания и шум сброса. Фотонный шум является следствием дискретной природы света, представляющего поток дискретных частиц фотонов. Шум темнового сигнала определяется термоэлектронной эмиссией.

Шум переноса связан с перемещением зарядового пакета по элементам ПЗС, когда часть чаетиц захватывается на дефектах и примесях, причем этот процесс носит стохастический характер. Шум считывания возникает при выводе сигнала из матрицы и его преобразовании в напряжение с последующим усилением.

Шум сброса связан с выводом имеющегося заряда из детектирующего узла перед вводом в него сигнального заряда. Для этой операции используется транзистор сброса. Поскольку электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла, то это и является причиной шума.