Диссертация (1090210), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Возможности использования конвейерного ПЗС – принципа здесь ограничены из-за проблем переноса зарядамежду пикселами: на границе полупроводника и окисла возникают его потеривследствие прилипания, (в структурах Si−SiO2 удаётся избежать этого эффекта).Поэтому можно привести примеры лишь единичных разработок ПЗС на основеInSb и СdHgTe [85]. Сообщается о подобных матрицах ограниченного формата,82обычно одно- и многорядных линейках для ВЗН – режима на спектральныйдиапазон 3...5 мкм.Для матриц рассматриваемого типа чаще используется решетчатая структура (в основном для PbS), где пиксел состоит только из одного фоторезистора.Для InSb, СdHgTe –матриц в пикселе использовались один (несколько) переносов заряда, такая матрица является ПЗИ матрицей.
В 1980-х годах это направление было представлено достаточно широко [85].Применение матриц этого типа для алмазных приёмников ещё более проблематично из-за отсутствия у алмаза твёрдого окисла и наличия известныхпроблем, связанных с внедрением в него легирующих примесей.ИК−матрицы изготавливались также на кремнии.
Кремний «очувствлялся»введением легирующей примеси (обычно бора, диапазон 8−20 мкм), либо созданием барьеров Шоттки. ПЗС−матрицы с барьером Шоттки из силицида платины (Si:Pt) получили самое широкое распространение среди матриц рассматриваемого типа в 1980-х и в начале 1990-х годов [86].Второй тип: твердотельная ИК−матрица на основе кремния.В кремниевом кристалле формировалась электроника фоточувствительнойзоны решетчатой структуры, а затем на этом кристалле в каждом пикселе наращивались фотоприемники из других материалов [87-89].
Как видим, функцииздесь разделены: детектирование выполняются в некремниевых фотоприемниках, а в кремнии обеспечивается обработка электрических (не оптических) фотосигналов.Этот путь для изготовления алмазных приёмников неприемлем вследствиетехнологической несовместимости кремниевой и алмазной технологий. Технологические процессы по формированию структур на кремнии происходят притемпературах не более 600ºС при атмосферном давлении, а выращивание алмазных плёнок при температурах более 850ºС. Кроме того, при температурахвыше 800ºС кремний начинает взаимодействовать с углеродом с образованиемкарбидов.
Эти явления приводят к деградации кремниевых структур в микросхемах считывания или их разрушению.83Третий тип: сэндвич [90-93].По схемотехнике структуры второго и третьего типов аналогичны: детектирование происходит в фотоприемниках одного материала, а обработка электрического сигнала (накопление, опрос) – в кремниевом кристалле. Отличияэтих типов заключаются, прежде всего, в конструктивном исполнении. В третьем типе используются два кристалла: узкозонный с фотоприемниками и кремниевый с электроникой обработки. При этом решетка с МДП−транзисторамиполучила явное предпочтение перед ПЗС – схемами [85].
Электрическое соединение кристаллов, (а число соединений должно быть равно числу пикселов: каждый фотодиод соединяется с электроникой своего пиксела) осуществляется,как правило, с помощью индиевых столбов. Эти столбы специально выращиваются на каждом (либо одном) кристалле.Собственно фоточувствительная площадка матрицы с электроникой предобработки и опроса является центральным, но не единственным блоком современных матричных структур. На том же кремниевом кристалле, где сформирована фоточувствительная зона, формируются дополнительные электронные блоки, которые превращают фоточувствительную матрицу в законченноефотоприёмное устройство, на выходе которого может быть сформирован кактелевизионный сигнал, так и цифровой код.3.1.2 Типы пикселовФункции пиксела заключаются в детектировании оптического сигнала, накоплении, коммутации [85].
Эти функции выполняются в «обычном» фоторезисторе (ФР). Генерированные излучением носители накапливаются, «живут» вобъеме ФР в течение времени жизни τЖ (так называемое «накопление на времени жизни»). Коммутация осуществляется простой подачей питания (без напряжения фототок во внешнюю цепь не течёт). Так что фоторезисторная матрицапо структуре пиксела самая простая: к точкам пересечения шин строк и столбцов подключается только фоторезистор.
Получаем простейшую конструкцию:на тонкую полупроводниковую пластину сверху и снизу наносятся взаимно-84перпендикулярные шины строк и столбцов. В литературе есть сообщения о подобной резисторной матрице на основе PbS [85]. Очевидны недостатки рассматриваемых матриц: фиксированное выбором полупроводника время накопления, межкадровая взаимосвязь, большая темновая подставка.Рассмотрим три других самых распространенных типов пикселов.Прежде всего, это ПЗС – пиксел [85-88].Классическая конструкция такого пиксела – три зарядово-связанныхМДП−структуры.
Вместе с тем, гибкость принципа зарядовой связи позволяетстроитьсамыеразнообразныеконструкциисдвумя,четырьмяМДП−структурами (ПЗС−элементами), выполнять деление заряда, слив фонового заряда и другие операции. Здесь важно отметить конструкцию пиксела сp−n переходом (фотодиодом для детектирования излучения). Такое решениестандартно для кремниевых линейных ПЗС−регистров [85]. Электроннодырочный переход зарядово связан с МДП−структурами, с помощью которыхустанавливается обратное смещение на нём и с помощью которых можно осуществлять накопление и коммутацию. Параллельное подсоединение к указанному кремниевому p-n (n-p) – переходу ИК−фотодиода (на основе Шотткибарьера, на основе InSb или СdHgTe) является основным схемотехническим методом построения ИК−матриц [90-91].
Добавим: и ультрафиолетовых матрицпри подсоединении УФ−фотодиода [33].Второй тип пиксела – это пиксел прибора с зарядовой инжекцией (ПЗИ)[85].Этот пиксел родственен ПЗС−пикселу: в нем процессы детектирования(генерация фотоносителей), их накопления и переноса тоже происходят вМДП−структурах. В отличие от ПЗС число переносов фотозарядов ограниченно одним (несколькими): перенос происходит только внутри пиксела, соседниепикселы зарядами не обмениваются.Третий тип пиксела – фотодиод плюс накопитель и ключ [85].85Прообразом такой схемы явилась диод-фотодиодная ячейка [85]. Рассмотренный выше вариант ПЗС ячейки с фотодиодом, в том числе и ИК-ФД, можнотакже отнести к третьему типу ячеек.
Кроме ПЗС (МДП−зарядово-связанныхструктур) для накопления, коммутации, а также и предусиления в самом пикселе могут использоваться полевые транзисторы. В таких пикселах важным элементом является входное устройство, которое вводит электрический ток сИК−ФД в электронные компоненты пиксела. В подавляющем числе случаевиспользуется схема так называемой прямой инжекции. Она также кратко описывалась при анализе пикселов первого типа: ИК−ФД включается параллельнокремниевомуp−nпереходу,азарядово-связаннаясэтимпереходомМДП−структура обеспечивает перетекание зарядов с ИК и Si− диода в электронные элементы пиксела.
Получаем действительно прямой ввод, «втекание»фототока с ИК−ФД в кремниевый пиксел, где он накапливается. Полученныйфотозаряд усиливается и коммутируется на выход.Общим для УФ− и ИК−матриц могут являться технологии сборки гибридных приборов [90-95] узкозонного (в нашем случае – широкозонного) кристалла с кремниевым кристаллом, со служебными блоками (например, строчными истолбцовыми регистрами). Здесь важен опыт изготовления ИК матриц по методу сборки с помощью индиевых столбиков .3.1.3 Гибридная матрица с пикселом на основе алмазного фотоприемника иМДП-транзисторовНаправление гибридных матриц является основным в современныхИК−преобразователях изображения [85]. Матрица дискретных фотоприемников– в нашем случае алмазных – сочленяется с кремниевым кристаллом, в которомсформирована электроника.С помощью индиевых столбиков каждый алмазный фотоприемник электрически подключается к электронике своего пиксела.86Принципиальная электрическая схема ik-пиксела приведена на рисунке3.1, где i-номер строки, k- номер столбца [33].
Соответствующий этой схеме ва-риант выполнения полупроводниковой структуры пиксела представлен на рисунке 3.2. Одна из особенностей этой структуры – объединение n-областей истока транзистора Т1 и стока Т2. Эту объединенную n-область будем называтьобластью накопления: ниже показывается, что именно на ней происходит накопление заряда.Рис.3.1 – Схема принципиальная электрическая пиксела матричной структуры с УФ фотодиодом: U1 – U3, UСМ – постоянные напряженияРис.3.2 – Структура электроники обработки фотосигнала в пикселе (схематически)87Схема содержит пять транзисторов Т1−Т5, требует подачи трех постоянныхнапряжений /U1/ < / U2/ < /U3/, например:U1= 2 В, U2= 5 В, U3= 10 В,(3.1)а также двух импульсных напряженийU = 0−10 В(3.2)Из схем на рисунках 3.1 и 3.2 следует, что эти импульсы, подаваемые соответственно на затворы транзисторов Т2 и Т5,одинаковы по форме, но сдвинуты относительно друг друга по времени.
Эти импульсы опроса – квазипрямоугольные, длительностью τОПР. Они подаются последовательно на i-строчныешины, начиная с первой шины (I = 1) и кончая последней (I = N), так что весьопрос происходит за время кадра ТК = NτОПР. Поэтому длительность каждогоимпульса опроса мала:τ ОПР ≅ΤΚN .(3.3)Рассмотрим функции транзисторов и последовательность обработки фотосигналов [33].Транзисторы Т1 и Т2 представляют собой схему прямого ввода сигнальногофототока IФ алмазного фотоприемника и накопления этого фототока.
Динамикуработы входного устройства иллюстрирует (см. рисунок 3.3) эпюра поверхностных потенциалов − потенциалов диффузионных n-областей, поверхности рподложки под электродами затвора (в каналах).Первая стадия – подготовка к работе. Для этого на затвор Т2 подается импульсное напряжение U = 10 В, ключ (транзистор) Т2 замыкается. Напряжениестока Т2, равное U2 = 5 В, передается через замкнутый ключ на область накопления (исток Т2 – сток Т1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
