Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью (1095920), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Раз так, то КП занимает существенное время – доли мс. Еслитеперь учесть, что во время КП секция накопления остаётся освещённой, тояркие участки изображения успевают дать вклад в чужой зарядовый пакет дажеза то короткое время, когда он проходит через них. Так на сигнале появляетсясмаз – вертикальный след от ярких участков изображения размером во весь кадр.Для борьбы с ним применяются разные ухищрения. Так, в малокадровых системах(прикладные системы с низкой кадровой частотой; яркий пример, астрономия, гдевремя накопления составляет порой часы) используется механический затвор,или же, если есть возможность, просто отключают источник света.
В цифровыхкамерах для компенсации смаза используются достаточно простые алгоритмыобработки изображения (отдельно запоминается картинка смаза – её можнополучить, например, при нулевом времени накопления – и затем она вычитаетсяиз «суммарного» изображения). Однако радикально проблема смаза решается вприборах с межстрочным переносом (МП), завоевавших доминирующееположение на рынке бытовой видеотехники (см.
Рис.4б). В отличие от матриц сКП, функции накопления заряда и его переноса здесь разделены. Заряд изэлементов накопления (как правило, фотодиоды – они тоже обладают ёмкостью испособны накапливать заряд!) передаётся в закрытые от света ПЗС-регистрыпереноса, т.е. секция переноса как бы вставлена в секцию накопления.Рис.4б. Приборы с межстрочным переносом.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 14 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРТеперь перенос зарядового рельефа всего кадра происходит за один такт, и смаз,связанный с переносом, не возникает.
Чтобы побороть ещё и искажения,возникающие из-за попадания в каналы переноса носителей, генерируемых вглубине подложки (если только не применяется фильтр ИК отсечки – а ввидеокамерах он всегда применяется), к матрице с МП добавляется ещё однасекция памяти с соответствующим числом элементов (Рис.4в). Смаз в такойматрице со строчно-кадровым переносом (СКП) пренебрежимо мал.По сравнению с матрицами с КП фактор заполнения в матрицах с МП или СКПпримерно вдвое меньше, так как около половины площади фоточувствительнойповерхности закрыто от света.
Чтобы повысить эффективность сбора фотонов,используется микрорастр - массив небольших линзочек. Он формируется оченьпросто: на поверхность пластины с уже формированными структурами матрицынаносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, из которого методомфотолитографии вырезаются изолированные квадратики, лежащие над каждымэлементом.
Зазор между отдельными квадратиками невелик. Затем пластинанагревается, пластмасса подплавляется и поверхность отдельных квадратиковприобретает близкую к сферической форму, фокусируя приходящий на еёповерхность свет точно на фоточувствительный элемент матрицы. Получается вотчто: (иллюстрации Ю. Ревича)Рис.4в. Дополнительная секция памяти к матрице с МП.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 15 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРЧТО ОНИ УМЕЮТ?Перейдём теперь к рассказу о параметрах и характеристиках ПЗС.
Прежде всегоостановимся на их спектральных характеристиках – зависимости выходногосигнала от длины волны, или, что эквивалентно, квантовом выходе – количествефотоэлектронов на один фотон падающего излучения.Спектральная характеристика (СХ) ПЗС определяется, причём мультипликативно,двумя факторами - прохождением света через электродную структуру ифотогенерацией,вызваннойпоглощениемсветанепосредственновполупроводнике (внутренний квантовый выход). Начнём с последнего.Поглощение света в полупроводнике описывается коэффициентом поглощения –величиной, обратной длине, на которой интенсивность излучения падает в е раз.Далее, фотогенерацию вызывают только фотоны с энергией, превышающейширину запрещённой зоны - около 1,2 эВ (что соответствует длине волны чутьбольше 1,05 мкм – это ближний ИК диапазон). Фотоны с большей длиной волныпросто не поглощаются и соответственно не дают вклада в выходной сигнал, адлина ~1,05 мкм оказывается красной границей фотоэффекта в кремнии.
Приуменьшении длины волны коэффициент поглощения постепенно растёт; так приλ = 1 мкм свет затухает в е раз на 100 мкм, при λ = 0,7 мкм (красный цвет) на 5мкм, а при λ = 0,5 мкм (зелено-голубой) на 1 мкм. Что же из этого следует?Вспомним, что глубина обеднённого слоя (глубина, на которую распространяетсяэлектрическое поле затвора вглубь полупроводника) - около 5 мкм.
Ясно, что длясвета, который целиком поглощается внутри этого слоя (при длине волны менеепримерно 0,6 мкм), внутренний квантовый выход будет почти 100%, так какпроисходит мгновенное разделение электронно-дырочных пар электрическимполем. Для более длинных волн значительная доля фотонов поглощается внейтральной подложке, откуда носители могут попасть в потенциальные ямытолько за счёт тепловой диффузии – на что шансов тем меньше, чем глубжеродился каждый конкретный электрон.
Надо ещё учесть, что сама подложка посвоим свойствам неоднородна.Так практически все западные приборы изготавливаются на эпитаксиальныхподложках с толщиной эпитаксиального слоя 10-12 мкм, а российские ПЗС - наподложках с внутренним геттерированием (это специальный процесс, прикотором дефекты кристаллической решётки загоняются вглубь подложки, так чтоповерхностный слой толщиной около 20 мкм становится свободным от дефектов).В обоих этих случаях время жизни свободных носителей вне поверхностного слоячрезвычайно мало, и они просто не успевают попасть в потенциальные ямы.
Этоещё больше снижает внутренний квантовый выход ПЗС для длинноволновогоучастка спектра.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 16 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРДля очень коротких длин волн (менее 270 нм) энергия фотонов достаточна длягенерации двух электронно-дырочных пар, так что для них внутренний квантовыйвыход, на первый взгляд, может превышать 100%. Увы, нет в мире совершенства,и граница раздела окисел-кремний – яркий тому пример. При коротких длинахволн коэффициент поглощения становится настолько большим, а длинапоглощения настолько маленькой, что становятся существенным вкладповерхностной рекомбинации, то есть только что рождённые пары успеваютрекомбинировать, не успев разделиться.
Так что в области коротких длин волнвнутренний квантовый выход тоже падает, хотя и не до нуля.Рис.5. Сечение трёхфазного ПЗС с электродами изполикристаллического кремния (вверху) и с виртуальной фазой (внизу).Около половины площади ячейки свободно от поликремния.Теперь поговорим о пропускании света электродной структурой. Как можносудить по Рис.5а, где схематично изображено сечение трёхфазного ПЗС споликремневыми затворами, свет, попадая в полупроводник, проходит черезнесколько слоёв с различными оптическими характеристиками, так что неизбежнаего интерференция, благо что толщина этих слоёв соизмерима с длиной волны. Идействительно, СХ ПЗС довольно причудлива.
Далее, поликристаллическийкремний, из которого сделаны электроды, совершенно непрозрачен в областидлин волн до 430-450 нм (синий и фиолетовый цвета). В итоге СХ обычноготрёхфазного ПЗС с поликремневыми затворами выглядит так, как показано наРис.6 красной линией.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 17 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРРис.6. Спектральные характеристики абсолютного квантового выхода:обычного ПЗС, ПЗС с люминофорным покрытием,с освещением с обратной стороны подложки, с виртуальной фазой.Использование фотодиодов в матрицах МП и СКП значительно улучшает СХ ПЗС,особенно в коротковолновой части спектра, поскольку уходят проблемы,связанные с электродами. Именно это обстоятельство позволяет таким приборамуспешно работать в вещательных и бытовых камерах цветного телевидения.
Вкамерах прикладного и научного направления, где доминируют всё же приборы сКП, применяются совершенно другие подходы.Самый простой - нанесение люминофора, специального вещества, прозрачногодля длинных волн, но преобразующего коротковолновый свет в кванты с большейдлиной волны. Этот приём позволяет расширить СХ ПЗС в синюю и УФ областьспектра (на Рис.6 показано жёлтым цветом), не затрагивая, впрочем, средне- идлинноволновую часть СХ.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 18 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРСущественным недостатком этого способа является ограниченный температурныйдиапазон работы такого прибора – люминофорные покрытия не выдерживаютглубокого охлаждения (автору приходилось видеть, во что превращается такоепокрытие после охлаждения до -100°С).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
