5. Багатоелементні фотоприймачі

Ці прилади належать до числа тих, які якнайшвидше розвива­ються. Сполучаючи в собі успіхи фізики дискретних фотоприй­мачів і новітні технологічні досягнення у виробництві НВІС, багатоелементні фотоприймачі озброюють нас твердотільним «оком», здатним реагувати не тільки на яскравісно-часові, але й на просторово-часові, характеристики об’єкта, тобто сприймати його повний зоровий образ. Інакше кажучи, це відеокамера, що викори­стовує твердотільну матрицю фоточутливих елементів для прийо­му зображення. Розміри матриці можуть перевищувати 10 млн елементів (пікселів), кожний з яких складається із трьох субпік- селів (червоного, синього й зеленого) [21].

Найважливіші області застосування багатоелементних фото­приймачів (ФП):

• одержання інформації про топологію спостережуваного об’єк­та в заданому спектральному діапазоні;

• перетворення інформації на відеосигнал і відтворення в реаль­ному масштабі часу або в записі (іноді в іншому спектрально­му діапазоні).

Розрізняють координатні, лінійні й матричні ФП, що працюють у реальному масштабі часу й з накопиченням заряду, із внутріш­німи електричними зв’язками й з повною електричною розв’яз­кою.

Найбільшого поширення серед багатоелементних ФП набули ПЗЗ- й КМОН-матриці.

Найчастіше застосовуються ФП із внутрішніми електричними зв’язками, особливо прилади із зарядовим зв’язком (ПЗЗ).

Розглянемо лінійний ФП із зарядовим зв’язком (ПЗЗ-лінійку). Він являє собою послідовність МОП-конденсаторів на n-Sі з ді­електриком Sі0₂, прозорі електроди яких з’єднані трьома шинами (рис. 3.8).

Надання через шини до електродів (затворів) негативної напру­ги – U приводить до утворення збідненої області, тобто потенційної ями для неосновних носіїв — дірок. Товщина збідненої області збільшується зі зростанням значення U. При освітленні МОП- структури під дією випромінювання генеруються пари електрон — дірка, з яких неосновні носії — дірки — накопичуються на границі з діелектриком (у потенційній ямі). Кількість дірок пропорційна інтенсивності світла й часу впливу, отже, розподіл освітленості на лінійці перетвориться на рельєф електричних зарядів.

Роботу ПЗЗ-лінійки при опроміненні поверхні поблизу електро­да 1 можна подати таким чином:

І етап — накопичення та зберігання інформаційного заряду. Для цього на шину №1 подається напруга зберігання U = -5 В. Під затворами 1, 4 ... виникають збіднені області (потенціальні ями), кількість дірок у яких пропорційна значенню та тривалості освіт­леності.

На рис. 3.8 умовно показаний розподіл енергії Е₁(х) і потен­ціальна яма із двома дірками.

Рис. 3.8. Робота ПЗЗ-лінійки

II етап — режим перенесення заряду шляхом подачі на шину № 2 напруги перенесення U₂ = -10 В. Під затвором № 2 виникає збіднена область з більш глибокою потенційною ямою, куди й пере­тікають дірки (розподіл Е₂(x)).

III етап — режим стабілізації заряду. Напруга з першої шини знімається (U₁ = 0), а на другій шині встановлюється U₂ = —5 В. У такий спосіб здійснюється процес перенесення заряду. Потім на­пруга перенесення встановлюється на шині № З (U₃ = -10 В) і про­цес перенесення триває. Величина заряду несе інформацію про освітленість, і поступово весь зарядовий рельєф переміщається уз­довж лінійки.

Для знімання інформації використовується вихідний діод Д, зміщений у зворотному напрямку й працюючий як ємність, напру­га на якій змінюється пропорційно перенесеному на неї пакету зарядів (U = q/С). Вихідний ключ скидання на польовому тран­зисторі Т після зчитування чергового імпульсу вихідного діода по­вертає його у початковий стан. При замиканні ключа (подачі на за­твор транзистора тактового імпульсу) відбувається заряд ємності С до напруги U_T (рівня темного). При розмиканні (у проміжку між тактовими імпульсами) на ємності з’являється спадаючий імпульс напруги. Екстракція зарядового пакета з останнього осередку ви­кликає зменшення зворотної напруги на діоді і ємності. У резуль­таті на вхід посилювача надходить послідовність імпульсів, обі­гова яких є відеосигналом.

Рис. 3.9. Еквівалентна схема осередку КМОН-матриці:

1 — елемент, чутли­вий до світла (діод); 2 — затвор;

З — конденсатор, що зберігає заряд з діода; 4 — підсилювач; 5 — шина вибору рядка; 6 — вертикальна шина, що передає сигнал процесору; 7 — сигнал скидання

Для запобігання «змазування» зображення тривалість імпуль­сів перенесення повинна бути набагато меншою тривалості імпуль­сів зберігання, але краще на час зчитування затемнювати лінійку. Важливо правильно вибрати тактову частоту /, тому що при f < 1 кГц погіршується контраст через темповий струм. Для збіль­шення / потрібно зменшувати розміри елементів і зазори. У сучас­них ПЗЗ-структурах процеси накопичення й зчитування просторо­во розділені, тобто використовується окремий регістр зрушення.

Основним недоліком ПЗЗ-структур є втрата інформації всього рядка при виході з ладу одного елемента. Цей недолік усувається в приладах із зарядовою інжекцією, але вони мають меншу роз­дільну здатність, більші тіньові струми й перехресні наведення.

Разом з ІІЗЗ-лінійками застосовуються ПЗЗ-матриці розміщен­ня елементів на площині. Кількість елементів доходить до 20 міль­йонів (20 Мпікс) і більше на площадці розміром по діагоналі менше 4/3 дюйма.

Для кольорових матриць можливе застосування трьох рядків зі світлофільтрами для вихідних кольорів, при­чому плівка світлофільтра наноситься безпосередньо на матрицю. В іншому способі проектоване зображення від­разу розділяється світло­фільтром і використовуються або 3 чорно-білі матриці.

Тривалий час ПЗЗ-матри- ці були практично єдиним масовим видом фотосєнсорів.

Реалізація технології Active Pixel Sensors близько 1993 p. й подальший розвиток КМОН-технологій привели в підсумку до того, що до 2008 р. КМОН-матриці вже були практично альтернативою ПЗЗ.

КМОН-матриця — світлочутлива матриця, виконана на основі КМОН-технології. У КМОН-матрицях використовуються польові транзистори з ізольованим затвором з каналами різної провідності (рис. 3.9).

Елемент КМОН-матриці працює в такий спосіб. До зйомки по­дається сигнал скидання. У процесі експозиції відбувається нако­пичення заряду фотодіодом. У процесі зчитування відбувається вибірка значення напруги на конденсаторі.

Перевагами ПЗЗ-матриць є:

• низький рівеньшумів;

• високий коефіцієнт заповнення пікселів (близько 100 %);

• висока ефективність (відношення кількості зареєстрованих фотонів до їхньої загальної кількості, що потрапили на світлочутливу область матриці, до 95 %);

• «високий динамічний діапазон (чутливість).

До недоліків ПЗЗ-матриць належать:

• складний принцип зчитування сигналу, а отже, й технологія;

• високий рівень енергоспоживання (до 2...5 Вт);

• висока вартість у виробництві.

Переваги ІСМОН-матриць:

• висока швидкодія (до 500 кадрів/с);

• низьке енергоспоживання (майже в 100 разів менше у порів­нянні із ПЗЗ);

• дешевше й простіше у виробництві;

• перспективність технології (на тому самому кристалі можли­во реалізувати всі необхідні додаткові схеми: аналого-цифрові перетворювачі, процесор, пам’ять, одержавши, таким чином, закінчену цифрову камеру на одному кристалі;

• за допомогою механізму довільного доступу можна виконува­ти зчитування обраних груп пікселів. Така операція одержала назву кадрованого зчитування. Кадрування дозволяє зменши­ти розмір захопленого зображення й потенційно збільшити швидкість зчитування в порівнянні із ПЗЗ-сенсорами, оскіль­ки в останні для подальшої обробки необхідно вивантажити всю інформацію. З’являється можливість застосовувати ту саму матрицю в принципово різних режимах. Зокрема , швид­ко зчитуючи тільки незначну частину пікселів, можна забез­печити якісний режим живого перегляду зображення на вбу­дованому в апарат екрані з відносно малою кількістю елементів. Можна відсканувати тільки частину кадру й засто­сувати її для відображення на весь екран, тим самим одержати можливість якісного ручного фокусування. Є можливість вес­ти репортажну швидкісну зйомку з меншим розміром кадру й роздільною здатністю.

Недоліками КМОН-матриць є:

• низький коефіцієнт заповнення пікселів, що знижує чутли­вість (ефективна поверхня пиксела -75 %, інше займають транзистори);

• високий рівень шуму (він обумовлений так званими темнови- ми струмами — навіть під час відсутності висвітлення через фотодіод тече досить значний струм), боротьба з яким усклад­нює й здорожчує технологію. Наявність на матриці великого в порівнянні з фотодіодом обсягу електронних елементів ство­рює додаткове нагрівання пристрою в процесі зчитування й приводить до зростання теплового шуму;

• невисокий динамічний діапазон;

• фотодіод осередку матриці має порівняно малий розмір, вели­чина ж одержуваної вихідної напруги залежить не тільки від параметрів самого фотодіода, але й від властивостей кожного елемента піксела. Таким чином, у кожного піксела матриці виявляється своя власна характеристична крива, і виникає проблема розподілу світлочутливості й коефіцієнта контрасту

пікселів матриці. У результаті чого перші КМОН-матриці мали порівняно низьку роздільну здатність і високий рівень так званого «структурного шуму».