Диссертация (1090210), страница 14
Текст из файла (страница 14)
На затвор Т1 подано постоянное напряжение U1 = 2В. В рабочем динамическом режиме оно передается на канал этого транзистораТ1 (на поверхность р-подложки). Между истоком (диффузионной n-областью)транзистора Т1 и каналом этого транзистора может возникнуть потенциал: ведьисходный потенциал n-истока произволен или, как говорят, «плавающий». Таккак рассматриваемые две области зарядово связаны, то их потенциалы должны88сравняться: «лишние» электроны n-истока «отсасываются» и уходят в n-сток Т1и далее – поскольку ключ Т2 замкнут – в n-сток Т2.Рис.3.3 – Динамика работы входного устройства гибридного пиксела с полевыми транзисторами, а – сечение входного устройства прямого ввода; б, в, г –эпюры потенциалов на поверхности раздела кремний – диэлектрик.По окончании импульса напряжение на затворе ключевого транзистора Т2становится равным нулю, этот ключ-транзистор размыкается.
Схема готова к89работе. Получаемая эпюра поверхностных потенциалов в таком начальном состоянии представлена на рисунке 3.3 б. При описании процессов переноса зарядов вводят понятие «потенциальной ямы». Это помогает наглядно объяснитьпроцессы переноса электрических зарядов гидравлической моделью, перетеканием жидкости в сосудах. При переносе неосновных носителей – электронов вр-типе зрительно «яма» получается, если откладывать положительные значенияповерхностного потенциала по оси ординат вниз, как это и сделано на рисунке3.3. Для наглядности на рисунке 3.3 пренебрегаем падением напряжения наокисле, контактными потенциалами; их учёт не влияет на механизм работыприбора.Далее следует вторая стадия, стадия накопления.
Области входного транзистора Т1 (n-исток и канал) остаются под постоянным напряжением U1 ≈ 2 В,(а область накопления – плавающая). Поэтому втекающий фототок IФ (втекаю-щий в n-исток Т1) отсасывается в n-сток Т1 (n-область накопления), так как потенциал здесь значительно выше, U2 ≈ 5 В (электроны текут в «яму»). Происходит накопление, перезарядка емкости СН n-области накопления. Точнее, – всехемкостей, подключенных к этой n-области. А, как видно из рисунка 3.2, к нейподключены затвор транзистора Т3, токопроводящая шина к этому затвору. Завремя накопления ТН, а оно выбирается равным времени кадра, ТН ≈ ТК заряд наемкости СН изменяется на величину ∆Q:∆Q = IФТН ≅ IФТК(3.4)Соответственно получаем скачок потенциала ∆U:∆U Ф =∆Q I Ф Т К=.CHСН(3.5)При фиксировании ТН, CН, чувствительности S уровень перезарядки зави-сит только от фототока IФ = SP, только от оптической мощности Р. Как видим,фототок непосредственно течет («вводится») на накопительную емкость, что идало название «схема прямого ввода».
Эпюра напряжений в конце стадии накопления представлена на рисунке 3.2в кривой зеленого цвета. После опроса (опрос описывается ниже) заряд стирается: Т2 вновь открывается, заряд ∆Q стекает90в сток Т2, (рисунок 3.3 г.), Т2 закрывается, схема вновь пришла в начальное состояние (рисунок 3.3 б), готова к накоплению сигнала следующего кадра.Схема повторителя (рисунок 3.2) – активный транзистор Т3 и нагрузочныйтранзистор Т4. Эта схема введена в состав пиксела для повышения чувствительности матрицы. Благодаря ей n-область накопления развязана от оченьбольшой емкости ССТ столбцовой шины: столбец тянется вдоль всех строк, такчтоССТ > NCН(3.6)где: N – число строк (обычно N >100).Благодаря развязке накопительной n-области от столбца напряжение фотосигнала ∆UФ (3.1) остается большим. Без таковой развязки в формуле (3.6) необходимо было бы заменить СН → СН +ССТ, что привело бы к снижению ∆UФ надва и более порядков.Нагрузочный транзистор Т4 должен иметь меньшую крутизну, чем активный транзистор Т3 (в два-три раза).
Это отражено на рисунке 3.2 большей длиной канала Т4.Схема повторяет, передает на выход (на точку В) изменение напряжения∆UФ практически без потерь. Это напряжение уже не зависит от величины на-грузки, подключаемой на выход (к точке В).Ключевой транзистор Т5. Когда заканчивается стадия накопления, начинается стадия опроса (опрос начинается перед описанной выше стадией стирания,то есть когда поверхностный потенциал соответствует эпюре на рисунке 3.3 в).При подаче на затвор Т5 импульсного напряжения U этот транзистор включается, напряжение ∆U передается на «плавающую» столбцовую шину и считывается последующими устройствами.
Сразу по окончании стадии опроса, как ужеуказывалось, повторяется стадия стирания, подготовки к работе (к следующемукадру).913.1.4 Оценка параметров гибридной матрицы на основе алмазногофотоприемника и МДП-транзистораОценим возможность достижения следующих параметров алмазных матриц, обеспечивающих им широкое применение [33].Удельный порог чувствительности Ф удпор , Вт/Гц 1/2 …………………..10−13;Время кадра, ТК, мc ………………………………………………….... 40.Динамический фильтр с временем накопления ТК имеет эффективную шумовую полосу частот fШ:fШ =11=≅ 12,5 Гц.2TК 2 × 4 × 10 − 2(3.7)Порог чувствительности Фпор в этой шумовой полосе:порФпор = Ф удf Ш = 10 −13 12,5 = 3,5 × 10 −13 Вт(3.8)Минимально регистрируемый фототок фотосигнала minIФ при такой по-роговой мощности равен:min I ф = S I × Ф = 0,05 × 3,5 × 10 − 13 = 1,77 × 10−14 А (3.9)Здесь SI = 0,05 А/Вт – заложенная в расчет токовая чувствительностьУФ−фотоприемника.Входной транзистор Т1 при таких микротоках работает в так называемомподпороговом режиме: его входное сопротивление имеет диодный характер ипри minIФ равно:R=ϕTmin I Ф=0,026= 1,5 × 1012 Ом−141,77 × 10(3.10)Здесь ϕT = 0,026 B – тепловой потенциал.Емкость СВХ входного устройства по порядку величины равна:(3.11)С ВХ ≈ (1 − 2) × 10 −14 ФОтметим, что емкость параллельно включенного алмазного ФП значитель-но меньшеСФП = СФПУД ×А = 0,3 пФ/мм2×2,5×10-3 = 7,5×10-16 Ф.(3.12)92Здесь СФПУД =0,3 пФ/мм2 – удельная ёмкость алмазного ФП, А = 50×50 мкм= 2,5×10−3 мм2 – площадь алмазного ФП в пикселе.Поэтому СФП не влияет на общую входную ёмкость.
Значения сопротивления (3.10) и ёмкости (3.11) дают возможность оценить постоянную времени τВХвходного устройства:τВХ = RВХ× СВХ = 1,5×1012 ×(1−2)×10−14 = 15 − 30 мc.(3.13)Из сравнения (3.13), с приведенным выше значением ТК = 40 мc видно,что:τВХ < ТК(3.14)Поэтому схема успевает ввести микрофототок за время кадра (но ввести напределе). Вместе с тем следует отметить, что достижение малых значенийвходной ёмкости ~1014 пФ требует специальных технологических мер.
Напряжение фотосигнала minUФ от минимального потока равно:min U Ф =min I Ф TK 1,77 × 10 −14 × 4 × 10 −2=~ 7 × 10 −3 B.−13CH10(3.15)Максимальное напряжение max ∆UФ определяется рабочими напряжениями U1 и U2, (см. рисунок 3.3), и при выбранных выше численных значенияхэтих напряжений получим:max ∆UФ = U2 – U1 = 5 – 2 = 3 В(3.16)С учётом (3.15), (3.16) динамический диапазон D будет равен:D=max ∆U Ф3В~ 500.=min ∆U Ф 7 × 10− 3 B(3.17)Как видим, в отличие от ИК−матриц при малых фототоках не возникаетпроблем с переполнением ёмкости накопления СН, так что нет необходимостипринимать специальные меры по её увеличению.
Однако появляются новыепроблемы с возрастающей инерционностью прямого ввода, возникает необходимость минимизации входной ёмкости транзистора Т1.В рассмотренной концепции построения УФ матрицы решены проблемы,связанные с особенностями алмазного фотоприемника [33].93• Рабочее напряжение на алмазном фотоприёмнике стабилизировано, по-этому обеспечивается линейность его вольтамперных характеристик и матрицыв целом.• Импульсное питание электронной схемы производится импульсамистандартной формы, стандартных значений амплитудных напряжений (~10 В).• Высокое напряжение подано только на кристалл алмазных фотоприем-ников ( UРАБ = 150 В). Кремниевая микросхема управляется стандартными постоянными напряжениями (≤ 10 B).3.1.5 ПЗИ – матричная система на основе алмазаРазнообразны конструкции, методы считывания не только приборов с зарядовой связью, но также и приборов с зарядовой инжекцией [96].
Вместе с темпикселы типовых ПЗИ имеют ряд общих элементов. Они содержат, как правило, две зарядово-связанных МДП−структуры. Одна из них управляется строчной шиной, другая – столбцовой. Накопление происходит в строчнойМДП−структуре. При опросе заряд из неё переносится в столбцовуюМДП−структуру. При стирании заряд инжектируется в подложку, где и рекомбинирует. Для ускорения стирания, предотвращения растекания инжектированного в подложку заряда в соседние пикселы для ПЗИ стали использовать эпитаксиальные структуры [85].Собственно структуры ПЗИ формируется на тонком высокоомном эпитаксиальном слое, а инжектируемый заряд рекомбинирует на эпитаксиальной границе высокоомного слоя с низкоомным подложечным слоем (ещё радикальнееиспользование вместо р−р+ перехода p-n перехода, который быстро «отсасывает» инжектированные в р−слой неосновные носители).
Особенности существующей алмазной технологии и качества, имеющихся в РФ материалов алмазане позволяют непосредственно использовать эти решения.Гипотетическая конструкция алмазного ПЗИ−пиксела изображена на рисунке 3.4.94Рис. 3.4 – Гипотетическая конструкция ПЗИ на основе алмазаСобственно структуры ПЗИ формируется на тонком высокоомном эпитаксиальном слое, а инжектируемый заряд рекомбинирует на эпитаксиальной границе высокоомного слоя с низкоомным подложечным слоем (ещё радикальнееиспользование вместо р−р+ перехода p-n перехода, который быстро «отсасывает» инжектированные в р−слой неосновные носители). Особенности существующей алмазной технологии и качество имеющихся в РФ материалов алмазане позволяют непосредственно использовать эти решения.95Пиксел содержит одну фоточувствительную МДП−структуру с прозрачным металлическим (проводящим) слоем.
Этот слой всех пикселов матрицыподсоединён к одному общему электроду А.Столбцовая шина представляет собой n-область (сформированную в алмазе, например, ионной имплантацией, однако эта работа требует самостоятельного решения, поскольку формирование слоев с n-типом проводимости в алмазе до настоящего времени остается нерешенной проблемой). МДП−структуры иэта шина в пределах пиксела перекрыта металлическим затвором, подсоединенным к строчной шине.Работа матрицы иллюстрируется эпюрами, изображенными на рисунке 3.5.Затвор, столбцовая n−область защищены от излучения. Для уменьшения продольного сопротивления тыльная сторона алмазной подложки, столбцоваяn−шина дополнительно металлизируются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
