Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью (1095920), страница 5
Текст из файла (страница 5)
А работа с глубоким охлаждением (опричинах чего мы ещё поговорим) – ситуация довольно распространённая...Второй способ, пожалуй, самый трудоёмкий и дорогой, но именно он позволяетдобиться фантастических результатов. Состоит он в том, что кристалл ПЗС, ужепосле изготовления, утоньшается до толщины 10 мкм и менее (и это при размерекристалла в несколько сантиметров!), а свет падает на обратную сторонуподложки, специальным образом обработанную. При столь тонкой подложкеносители успевают добраться до потенциальных ям (напомним, что онипростираются на глубину до 5 мкм), а полное отсутствие каких бы то ни былоэлектродов гарантирует, что практически весь свет, за исключением потерь наотражение, проникает в кремний.Квантовая эффективность таких матриц (зелёная кривая на Рис.6) достигаетиногда 90%, а спектральный диапазон простирается от 180 до 950 нм.
Именнотакие матрицы, несмотря на дороговизну (порой несколько десятков тысячдолларов – хотя что это за деньги, если сам телескоп стоит сотни миллионов!),применяются в большинстве серьёзных астрономических проектов, включаякосмический телескоп «Хаббл» или недавно построенную Южную ЕвропейскуюОбсерваторию в Чили с несколькими 8-м телескопами.И, наконец, третий способ улучшения спектральных характеристик ПЗС виртуальная фаза, способ, предложенный в 1980 году Ярославом Хинечеком, в товремя работавшим в фирме Texas Instruments, для американского проекта Galileoпо запуску космического аппарата к Юпитеру.
Суть этого способа в том, что одиниз электродов обычного ПЗС заменяется на мелкий слой p-типа (виртуальныйзатвор) непосредственно на поверхности кремния, замкнутый на стоп-каналы(сам Хинечек модифицировал двухфазный ПЗС; автору ближе ПЗС с виртуальнойфазой, полученные из обычных трёхфазных – см. Рис.5б).Доза канала под виртуальным затвором делается больше, чем под тактовымизатворами. Вспомним то, что говорилось про ПЗС со скрытым каналом по поводуфиксации поверхностного потенциала и зависимости глубины потенциальной ямыот дозы легирования канала. Структура с виртуальным затвором, замкнутым наподложку, с точки зрения канала переноса не отличается от состояния фиксациив обычном ПЗС со скрытым каналом. Если к тому же выбрать дозу легированияканала в области виртуальной ямы надлежащим образом, то потенциал канала вней будет средним между ямой и барьером под тактовыми электродами, так чтоусловия для тактируемого переноса заряда сохраняются.©Л.
Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 19 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРДостоинства такой структуры несомненны. По сравнению с обычными ПЗС, в нейоколо половины площади ячейки свободны от поликремния, отсюда высокаячувствительность в синей и УФ области спектра (теоретически даже и до мягкогорентгена). Вместе с тем достигается она при освещении с фронтальной стороныподложки, что явно положительным образом сказывается на их цене.
Ещё ПЗС свиртуальной фазой по принципу действия относятся к приборам с МРР (Multi-PinPhase), но об этом ниже, там, где речь пойдёт о темновом токе.Я не мог не упомянуть здесь ПЗС с виртуальной фазой, поскольку именно этимтипом приборов я имею честь заниматься уже многие годы (я и не обещал бытьбеспристрастным...). Эти приборы, в частности, уже много лет используются всистемах ориентации российских космических аппаратов (звёздные датчики), иименно на них в 1986 г. было впервые в мире получено детальное изображениекометы Галлея (проект ВЕГА).Поговорим теперь о других параметрах ПЗС (про неэффективность переноса испектральные характеристики мы уже поговорили).
Здесь будут обсуждаться каксами параметры, так и те меры, которые применяются для их улучшения.1. Темновой токКак уже упоминалось, темновой ток - это результат спонтанной генерацииэлектронно-дырочных пар и есть явление неизбежное, однако бороться с нимможно. Дело в том, что теоретическая величина темнового тока для кремния(если брать в расчёт только прямую генерацию через запрещённую зону) крайнемала, и на самом деле темновой ток в ПЗС (как и обратные токи в другихкремниевыхприборах)определяетсядвустадийнойгенерациейчерезпромежуточные энергетические уровни в запрещённой зоне. Понятно, что чемменьше концентрация этих уровней - а она определяется качеством исходногокремния, чистотой реактивов и степенью совершенства технологии - тем меньшетемновой ток.
Понятно также, что граница раздела, где этих уровней заведомомного, даёт заметно больший вклад в темновой ток, чем объём. И вот здесь-то инадо вспомнить про МРР-приборы. Их отличие от обычных ПЗС в том, что пододной из тактовых фаз доза канала увеличена, соответственно и потенциалканала при фиксации будет выше. Таким образом, даже если на всех фазахнапряжение на затворе таково, что поверхностный потенциал фиксирован, вканале переноса потенциальный рельеф сохраняется, а значит, возможнолокализованное накопление зарядовых пакетов.
Поверхность же замкнута наподложку и исключается из процесса генерации темнового тока.В настоящее время типовые значения темнового тока для лучших западных ПЗСсоставляют при комнатной температуре сотые доли нА/см2, или несколько сотен(иногда тысяч) электронов на ячейку в секунду. И если для вещательного ибытового ТВ (время накопления 20 или 40 мс) такой темновой ток незаметен, тодля научных применений, где регистрируются потоки в десяток фотонов наэлемент, даже столь низкий темновой ток неприемлем. Действительно, времянакопления в малокадровых системах, скажем, Флуоресцентной микроскопии©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 20 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРдостигает минут, а в астрономии, когда нужно получить спектр звезды 20-йвеличины (совершенно типовое дело), - часов.
В этом случае на помощь приходитохлаждение матриц. Как всякий термодинамический процесс, темновой токсильно зависит от абсолютной температуры; принято считать, что приуменьшении температуры на каждые 7-8 градусов он уменьшается вдвое. Дляглубокого охлаждения (в астрономических системах) используются азотныекриостаты, где матрицы охлаждаются до -100°С. Для более простых системприменяется термоэлектронное охлаждение с использованием батарей Пельтье,которые способны обеспечить перепад в 70°С при подаче напряжения в 5-6 В, такчто температура кристалла при комнатной наружной оказывается около -40°С.Темновой ток при этом уменьшается до ~1 электрона на ячейку в секунду. Этибатареи столь компактны, что монтируются непосредственно в один корпусвместе с кристаллом ПЗС.
Такие охлаждаемые приборы широко выпускаются какв США (например, фирмой SITe Technology или Hamamatsu Photonics) и в Европе(EEV, Великобритания), так и в России (фирма «Электрон-Оптроник», СПб).Ну и, наконец, в цифровых системах на ПЗС, поскольку характеристика егоотличается высокой линейностью, можно просто запоминать темновой сигнал(при данной температуре и данном времени накопления), а затем вычитать его изрезультирующего.2. Неоднородность чувствительностиПовторюсь, нет в мире совершенства. А потому ячейки ПЗС имеют неодинаковуючувствительность, т. е. даже при абсолютно однородной освещённости сигнал сних разный (иногда этот эффект называют геометрическим шумом).
Величинаэтой неоднородности невелика и обычно не превышает 1-5% (для разных типовприборов), так что, скажем, в обычных ТВ камерах ею можно пренебречь. Внаучных системах, где требуется высокая фотометрическая точность, применяютдовольнопростойалгоритмкоррекциинеравномерности.Посколькучувствительность каждого индивидуального элемента - фиксированная величина,то для её коррекции при некоторой равномерной освещённости запоминаютсигналы со всех элементов прибора - и используют их как коэффициентыкоррекции при всех последующих экспозициях.
Предварительно, разумеется,проводят коррекцию темнового тока.3. Шумы.Начнём с того, что шумит сам световой поток (да-да!). То есть числофотоэлектронов, накопленное в ячейке, определено с точностью до квадратногокорня из их числа (статистика Пуассона). Например, зарядовый пакет в 10000электронов от кадра к кадру будет флуктуировать со среднеквадратическимотклонением в 100 электронов. Точно такой же статистике подвержен и темновойсигнал, и, следовательно, суммарный (световой + темновой).
Это, однако, неснимает задачи снижения шумов собственно ПЗС, поскольку часто приходитсяработать с сигналами в десяток фотонов на ячейку (к счастью, не в ТВ системах).©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 21 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРДля качественных приборов, где низки темновой ток и неэффективностьпереноса, доминирующим источником шума будет выходное устройство.Обратимся ещё раз к Рис.4а и посмотрим на выходное устройство. Оно состоит изёмкости считывания, как правило, диода, транзистора сброса Q1 и выходногоусилителя (обычно это двухкаскадный истоковый повторитель с высоким входнымимпедансом). Работает такое выходное устройство так. Импульс сброса соединяетдиод с источником опорного напряжения VREF, после чего транзистор сбросазакрывается, и диод оказывается плавающим, т.е. его потенциал можетизменяться при поступлении в него заряда - и он изменяется при следующемтакте переноса заряда в регистре.
Это изменение потенциала передаётся навыход прибора через усилитель.Так вот, фундаментальным свойством системы ключ - конденсатор (в случае ПЗСэто транзистор Q1 и плавающая диффузия) является то, что каждый раз послеразмыкания ключа исходный потенциал считывающей ёмкости будет разным,причём среднеквадратическая величина этого шума (он называетсяустановочным) равна (kT/C)1/2, а эквивалентный шумовой заряд – (kTC)1/2, где k –постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, а С – ёмкость считывающегоузла. При комнатной температуре установочный шум равен 400C1/2, если С - впикофарадах. При этом сам сигнал пропорционален 1/C.
Стало быть, чем меньшеёмкость, на которой детектируется заряд, тем больше отношениесигнал/установочный шум для данного считывающего устройства. Именно здеськроется преимущество ПЗС по сравнению с предшествующими датчиками, гдезаряд с одного элемента попадал на общую для всего столбца шину.Величина ёмкости считывания в современных ПЗС достигает 0,01-0,03 пФ, чтосоответствует установочному шуму примерно в 40-70 электронов. Для многихприменений такой уровень шума приемлем, однако существует метод,позволяющий практически полностью устранить его.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
