49008 (608870), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Все эти неприятности, связанные с поверхностным каналом переноса, удалось полностью (или почти полностью) устранить инженерам фирмы Philips, в 1972 году предложившим ПЗС со скрытым каналом. Это решение, разом убивавшее несколько зайцев, оказалось настолько удачным, что с тех пор все ПЗС выпускаются только со скрытым каналом. От обычного он отличается тем, что в поверхностной области кремния создаётся тонкий (порядка 0,3 - 0,5 мкм) слой с проводимостью противоположного подложке типа и с концентрацией примеси такой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче на него напряжения через соответствующий контакт. Что же происходит в такой структуре?
Для простоты предположим, что скрытый канал имеет однородную концентрацию примеси по всей глубине. При полном обеднении скрытого канала в нём остаётся нескомпенсированный заряд легирующей примеси (будем считать её примесью N-типа, т. е. остаются положительно заряженные атомы примеси). Кроме того, обеднённая область будет простираться и в подложку, как и для ПЗС с поверхностным каналом, причём в подложке заряд нескомпенсированной примеси - отрицательный. Распределение потенциала при таком ступенчатом распределении объёмного заряда, как следует из уравнения Лапласа, будет кусочно-параболическим с максимумом потенциала, лежащем на некоторой глубине от границы раздела (фактически вблизи металлургической границы p-n перехода скрытый канал - подложка;
Рис. 4а.
| |
Рис.4б. Распределение потенциалов в ПЗС со скрытым каналов при отсутствии сигнального заряда, с сигнальным зарядом и при фиксации поверхностного потенциала.Всё. Задача решена. Ведь теперь сигнальные электроны собираются именно в области максимума потенциала, нейтрализуя по мере накопления атомы примеси (зелёная линия на рис. 2б; это, в частности, означает, что максимальная плотность накопленного заряда не может превышать поверхностной концентрации примеси - порядка 1,5*1012 см-2), и не достигают поверхности. А значит, уходят все отрицательные моменты, связанные с взаимодействием зарядового пакета с границей раздела. Для дальнейшего изложения отметим ещё, что потенциал канала в максимуме пропорционален дозе легирования канала.
Степень совершенства кристаллической решётки в современных материалах весьма высока, и ныне эффективность переноса в ПЗС со скрытым каналом (собственно, далее речь будет идти только о них) достигает в лучших приборах потрясающих величин 99,9999% (или h = 10-6) на перенос, т. е. после тысячи переносов искажения от неэффективности составляют 0,1%. Достигается это не только из-за крайне низкой плотности ловушек в объёме полупроводника, но и из-за того, что перенос происходит на некотором удалении от затворов, а значит, становятся заметными двумерные эффекты - электрическое поле одного затвора проникает под соседний, создавая тем самым дрейфовую составляющую переноса (тянущее поле), что вытягивает заряд гораздо быстрее, чем просто тепловая диффузия, так что частотные ограничения эффективности в диапазоне частот, характерном для телевизионных матриц, практически незаметны.
Отметим ещё одно отличие ПЗС со срытым каналом от ПЗС с поверхностным каналом: уровни управляющих напряжений для них биполярные, т. е. напряжение барьера - отрицательное. Причём при некотором его значении потенциал на границе раздела достигает нуля и дальше изменяться не может, так как дырки из стоп канала заполняют поверхность, закорачивая её на стопор и экранируя канал от дальнейшего изменения электрического поля затвора.
Это явление называется фиксацией поверхностного потенциала (pin) и используется в ПЗС с виртуальной фазой и т. н. приборах МРР (multi-pin phase), о чём мы ещё поговорим. И ещё: скрытый канал невозможно закрыть; как только наступает фиксация, дальнейшее изменение потенциала канала прекращается.
Теперь, прежде чем рассказать о том, как из одного регистра сделать двумерную матрицу, несколько слов о том, как, собственно, выглядит стандартный телевизионный сигнал черно-белого телевидения. Мы не будем углубляться в детали того или иного ТВ стандарта, а рассмотрим общие принципы формирования сигнала.
Рис. 5. ТВ сигнал
Посмотрим на этот рис. 5, где схематично изображён ТВ сигнал. Он
содержит видеосигналы отдельных строк, разделённые интервалом обратного хода по строке (строчный гасящий интервал), необходимым для того, чтобы электронный луч, как в кинескопе, так и в передающей камере (вспомним, что этот стандарт возник достаточно давно, в эпоху вакуумных приборов) успел вернуться к началу следующей сроки. Во время этого интервала подается и строчный синхроимпульс, формируется не самим датчиком изображения, а замешивается в сигнал электронными схемами камеры). Уровень синхроимпульсов принят за 0, уровень черного в видеосигнале составляет 0,33 В, уровень гасящего - 0,3 В (30 мВ разницы образуют т. н. защитный интервал), максимальный уровень видеосигнала (уровень белого) - 1,00 В. Когда переданы сигналы всех строк одного поля, начинается формирование кадрового гасящего интервала. Строчные синхроимпульсы в это время продолжают формироваться, чтобы не сбивать схемы строчной развёртки кинескопа (в реальности их частота на короткое время, равное 2,5 длительности строки, удваивается, а полярность инвертируется, чтобы обозначить кадровый синхроимпульс), а видеосигнал не формируется. Затем, по окончании кадрового гасящего, начинается прямой ход по кадру для следующего поля. По принятому, например, в Европе стандарту период строчной развёртки составляет 64 мкс, длительность прямого хода по строке - 52 мкс, длительность обратного хода по строке - 12 мкс, а длительность кадрового гасящего - 25 строк. При этом в каждом поле имеется 312,5 строки, из которых 287,5 - активные, т. е. имеющие видеосигнал (полстроки возникает из-за того, что полное число строк в кадре для чересстрочной развёртки нечётное - 625).
Теперь вернёмся к структуре двумерной матрицы ПЗС. Простейший её вариант изображён на рис. 6а. В нём можно выделить два вертикальных регистра сдвига на ПЗС, образующие секцию накопления и секцию хранения с равным числом строк (каждая строка секции образована одной тройкой электродов), горизонтальный регистр сдвига и выходное устройство. Рассмотрим подробнее работу такой структуры.
Рис.6а Структура двумерной матрицы ПЗС
В течение времени прямого хода по кадру секция накопления стоит, т. е. на неё подаются неизменные напряжения, формирующие потенциальные ямы только под одним электродом каждой тройки, скажем, под электродом первой фазы (VS1), причём потенциальные ямы образуются во всех элементах всех строк секции. По горизонтали отдельные ячейки накопления отделены стоп каналами (выделены на рисунке красным цветом). Изображение, проецируемое на секцию накопления, вызывает фотогенерацию - образование электронно-дырочных пар. При этом фотогенерированные электроны остаются в потенциальной яме, дырки же, соответственно, уйдут в подложку или в вдоль поверхности в стоп каналы. Таким образом, под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф, т. е. в каждой ячейке собирается заряд, пропорциональный её освещённости и времени накопления.
По окончании прямого хода по кадру на обе секции подаются тактовые импульсы, вызывающие синхронный перенос заряда, при этом важно (и это показано на рисунке), что обе секции образуют непрерывный регистр сдвига. После числа тактов, равного числу строк в каждой секции (напомним, что каждая строка образована тремя электродами), весь накопленный зарядовый рельеф целиком переместится в секцию памяти, закрытую от света, а секция накопления будет очищена от заряда. Этот перенос секции в секцию происходит достаточно быстро (фактически он занимает малую часть времени обратного хода по кадру). Теперь, во время следующего цикла накопления (это следующее поле кадровой развёртки), секция накопления накапливает следующий кадр изображения, а из секции памяти заряды построчно, во время обратного хода по строке, передаются в горизонтальный регистр), каждый элемент регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за один раз передаётся одна строка, и затем выводятся в выходное устройство регистра за время прямого хода по строке, формируя видеосигнал. О выходном устройстве мы подробнее поговорим ниже.
Сразу отметим одно важное обстоятельство. Первые матрицы выглядели именно так, как показано на рисунке, с электродами, сформированными из металла (молибдена). Понятно, что для обеспечения зарядовой связи и возможно полного переноса заряда от затвора к затвору зазор между ними не мог быть большим, что приводило к крайне низкой чувствительности: действительно, почти вся площадь элемента оказывалась непрозрачной для света. Кроме того, при ширине зазора 2 микрона и суммарной его длине для всей матрицы несколько метров весьма вероятно замыкание металлических фаз друг на друга, что приводит к потере работоспособности матрицы.
Радикальным выходом стало предложенное в 1974 г. К. Секеном и М. Томпсеттом из Bell Labs использование электродов из поликристаллического кремния, прозрачного почти во всём видимом диапазоне. В таких приборах для формирования трёхфазной системы электродов используются три последовательно наносимых на подложку уровня поликремния, каждый для своей фазы, которые после формирования электродного рисунка окисляются. Чтобы при окислении поликремния не изменялась толщина под затворного диэлектрика, в современных приборах он делается двухслойным - окисел + нитрид кремния (Si3N4). Первые же приборы с поликремниевыми затворами превзошли по чувствительности вакуумные трубки и даже фотоэмульсию. Кроме того, выращенный на каждом слое поликремния изолирующий окисел (см рис. 6а) резко снизил вероятность межфазного замыкания, а межфазный зазор уменьшился до 0,2 мкм - толщины межфазного окисла.
Теперь, мне кажется, настало время поговорить о достоинствах и ограничениях ПЗС вообще и данной структуры в частности. Разумеется, общие преимущества перехода от вакуумных приборов сразу к ИС высокой степени интеграции очевидны и не нуждаются в комментариях. Остановимся на менее очевидных (а для непосвящённых, возможно, и просто новых) моментах.
Прежде всего, отметим жёсткий растр. В трубках растр создавался сканирующим электронным лучом, и его геометрическое качество зависело от массы факторов - линейности напряжений развёрток, стабильности питающих напряжений, температурных эффектов и т. д. В твердотельных приборах растр задаётся с высокой точностью в процессе изготовления структуры прибора, так что геометрические искажения получаемого изображения определяются только качеством оптики. С жёсткостью растра связаны и такие достоинства, как отсутствие микрофонного эффекта (т. е. изменения параметров электровакуумного прибора из-за акустического воздействия) и нечувствительность к магнитным полям - а ведь искажения в трубках, если не принимать специальных мер, могли порой возникать даже от изменения её положения относительно магнитного поля Земли!
С жёстким растром - и вообще с тем, что это интегральная схема связано и другое преимущество ПЗС, особенно важное для профессиональных цветных камер - совмещение растров датчиков в трех матричных камерах цветного ТВ. Я напомню, как получается цветной сигнал в таких камерах (будь то на ПЗС или на трубках): световой поток от объектива с помощью специальной дихроичной призмы расщепляется на три - соответственно красный, зелёный и синий, поступающие каждый на свой датчик. Ясно, что малейшее рассогласование растров этих датчиков приводит к появлению цветовой окантовки на результирующем изображении. А теперь представьте себе, каких ухищрений стоит добиться совмещения растров для трёх электронно-лучевых приборов! Жёсткий растр и связанная с этим жёсткая привязка выходного сигнала к тактовой частоте упростила и конструкцию одно-матричных цветных камер, в которых для получения информации о цвете используется нанесение непосредственно на фоточувствительную секцию специального фильтра - мозаичного или полосового - так что каждый элемент ПЗС передаёт сигнал только одного какого-то цвета, а полный цветной сигнал получается за счёт соответствующей обработки выходного сигнала ПЗС. Ясно, что однозначная привязка сигнала каждого элемента с сетке частот упрощает эту обработку (нелинейность развёртки в трубках вынуждала формировать специальный индексный сигнал, для чего конструкция мишени трубок для одно-трубочных камер цветного ТВ сильно усложнялась).
Ещё одно достоинство - отсутствие эффекта выжигания. В трубках чрезмерно яркий свет (например, случайно попавший в поле зрения яркий источник света или, не приведи бог, Солнце), приводил к выжиганию - длительному, а иногда и необратимому изменению параметров фото катода - и изображение этого источника (причём негативное) ещё долгое время можно было наблюдать, даже не открывая объектив... Ещё один неприятный эффект, свойственный трубкам (кстати, и фоторезисторным матрицам) и полностью отсутствующий в ПЗС - инерционность. Многие, вероятно, видели хвост, тянущийся за изображением яркой лампы при панорамировании камеры. Именно так проявляется инерционность трубки - даже после исчезновения освещенности данной точки фото катода сигнал с неё не спадает мгновенно. В матрицах ПЗС, накопленный сигнальный заряд полностью выводится при переносе кадра - и к началу следующей экспозиции секция накопления как новенькая.
По сравнению с твердотельными приборами с координатной адресацией (КА) ПЗС сильно выигрывают в однородности сигнала, так как все зарядовые пакеты детектируются одним усилителем (вспомним, что в приборах с КА каждый столбец имеет свой усилитель - со своим коэффициентом усиления). Помимо одинакового для всех зарядовых пакетов коэффициента преобразования заряд-напряжение, усилитель ПЗС характеризуется и значительно меньшим по сравнению с матрицами с КА шумом (это связано с величиной ёмкости преобразования, о чём мы ещё поговорим).
И ещё одно достоинство по сравнению с конструкцией, о которой речь пойдёт ниже: вся площадь секции накопления является фоточувствительной, т. е. коэффициент заполнения (fill factor) равен 100%. Эта особенность делает приборы данной организации монополистами в астрономии и вообще везде, где идёт борьба за чувствительность.
При всей несомненной простоте, у матриц с рассмотренной организацией (они называются ПЗС с кадровым переносом) есть один существенный недостаток - собственно, сам кадровый перенос (КП). Тактовая частота, подаваемая на секции во время КП, составляет, как правило, несколько сот Кгц (редко 1-2 МГц), что связано с большой ёмкостью фаз секций (до 10 000 пФ) и тем, что сами электроды имеют распределённые параметры (RC), и тактовые импульсы при их высокой частоте могут просто не дойти до середины электрода. А раз так, то КП занимает существенное время - доли мс. Если теперь учесть, что во время КП секция накопления остаётся освещённой, то яркие участки изображения успевают дать вклад в чужой зарядовый пакет даже за то короткое время, когда он проходит через них. Так на сигнале появляется смаз - 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, опять же, - астрономия, где время накопления составляет порой часы) используется механический затвор, или же, если есть такая возможность, просто отключают источник света. В цифровых камерах для компенсации смаза используются достаточно простые алгоритмы обработки изображения (просто запоминается отдельно картинка смаза - её можно, например, получить при нулевом времени накопления - и затем она вычитается из "суммарного" изображения).
Рис. 6б. Прибор с межстрочным переносом (МП)
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
