6 Матричні (площинні) фси.
Пристрої на основі рядкових ФСИ дозволяють передавати зображення з низькою швидкістю і не забезпечують високої якості відеосигналів. Тому телевізійні передавальні камери будують головним чином на основі матричних ФСИ.
Використовуються чотири основні способи організації матричних формувачів сигналів зображень на ПЗС: кадрова, рядкова, рядково-кадрова, адресна. Вони відрізняються способом зчитування картини зарядових пакетів.
Рис.15. ФСИ з кадровою :
1 - каналообмежуюча дифузійна область; 2 - оптична секція; 3 - елемент зображення; 4 - секція зберігання; 5 - вихід відеосигналу; 6 - вихідний затвор.
ФСИ з кадровою організацією складається з трьох секцій ( рис.15) : фотоприймальний ( оптичної ), що представляє собою матрицю ПЗС необхідного формату ; секції зберігання того ж формату , в якій зберігається картина зарядів ; секції зчитування , що складається з СР на ПЗС і вихідного елемента, що зчитує , та перетворює зарядові пакети у відеосигнали .
Картина зарядів , накопичені в фотоприймальній секції , після закінчення кадру за допомогою відповідної послідовності тактових імпульсів швидко зсувається в секцію зберігання . Таким чином , після сприйняття зображення весь кадр зсувається в секцію зберігання і Фотоприймальна секція готова до прийому наступного кадру. Протягом часу формування наступного кадру інформація з секції зберігання порядково передається у вихідний СР , звідки вона поелементно передається на вихідний зчитуючий елемент ( подібно до того , як в рядковому ФСИ ) . Тактова частота зрушення у вихідному регістрі повинна бути в r разів (де r - кількість елементів в одному рядку ) вище тактової частоти в секції зберігання для того , щоб до моменту надходження в регістр наступного рядка забезпечити передачу на вихід усіх зарядових пакетів попереднього рядка .
Перевагами кадрової організації процесу Сканування є висока якість переданого зображення , можливість черезрядковості , топологічна простота і регулярність кристала. Висока якість відеосигналів досягається завдяки тому , що після сприйняття зображення картина зарядів швидко зсувається в захищену від світла секцію зберігання і тому не відбувається додаткового засвічення при скануванні , що викликає спотворення відеосигналів. Черезрядкова є прогресивним методом зчитування інформації , що дозволяє вдвічі зменшити частоту проходження відеосигналів при збереженні тієї ж якості зображення. У ФСИ на ПЗС вона може бути отримана наступним чином .
У тритактовій системі кожен світлочутливий елемент містить три електрода. При інтегруванні зображення тільки один з них перебуває під напругою зміщення і накопичує заряди , два інших електрода необхідні для направленої передачі зарядів і використовуються тільки при зсуві картини зарядів в секцію зберігання . Таку надмірність електродів в режимі сприйняття зображення можна використовувати так . Протягом першого півкадра напруга зсуву подається на одну групу електродів , наприклад , на перші електроди світлочутливих елементів . Накопичені заряди зсуваються в секцію зберігання . Протягом другого півкадра напруга зсуву подається на всі електроди , і заряди накопичуються під ними. Отже , один і той же світлочутливий ПЗС- елемент використовується для сприйняття різних елементів зображення , тобто застосування черезрядковості дозволяє вдвічі збільшити роздільну здатність матриці на ПЗС при збереженні тої ж кількості елементів . Прикладом цього служить розроблена фірмою RCA передавальна камера, що має 256X320 світлочутливих елементів і забезпечує в той же час отримання 512X320 елементів розкладання , тобто практично повний телевізійний стандарт .
Третя гідність ФСИ з кадровою організацією полягає в топологічній простоті кремнієвого кристала. Всі три секції ФСИ мають регулярну структуру. Електроди формуються у вигляді поперечних смуг металізації , що перетинають весь кристал . Області зберігання зарядів відокремлюються один від одного поздовжніми дифузійними смугами. Секція зберігання і вихідний СР захищаються від світла за допомогою додаткової металізації.
Кадрова організація ФСИ має і певні недоліки. За рахунок додаткової секції зберігання , що містить таку ж кількість ПЗС , що і світлочутлива секція , загальна кількість елементів збільшується вдвічі. Наприклад , для отримання дозволу 500X500 елементів при використанні черезрядковості необхідно мати світлочутливу секцію об'ємом 500X250 елементів , секцію зберігання такого ж об'єму і вихідний СР на 500 елементів . Отже, загальна кількість елементів 500X X 501 = 250 500. Якщо врахувати , що у вертикальному напрямку кожен світлочутливий елемент містить три електроди , то загальна кількість електродів , які повинні бути сформовані на кристалі , близько до 750 000 . Створення таких надвеликих інтегральних систем ( НВІС ) наштовхується (і ще довго буде наштовхуватися ) на значні технологічні труднощі ( основна з них це бездефектна фотолітографія ) .
Іншим недоліком розглянутої структури є сильний вплив дефектів на якість зображення. Якщо в світлочутливої секції (а особливо в секції зберігання) несправний тільки один ПЗС- елемент , то на виході буде втрачена інформація від усього стовпця , так як при скануванні через несправний елемент не зможуть бути передані зарядові пакети всіх елементів стовпця , розташованих вище даного . Якщо в несправному елементі електрод закорочений з підкладкою через отвір в окислі , то при передачі через даний елемент зарядові пакети будуть заповнюватися до насичення і на відтворюваному зображенні з'явиться вертикальна світла смуга. Якщо на електрод не влучає управляє напруга через обрив металізації , то через даний елемент взагалі не будуть передаватися зарядові пакети і на зображенні з'явиться вертикальна темна смуга. Все це ще більше підсилює вимоги до бездефектності всіх елементів ФСИ .
Для досягнення цього використовують ускладнену технологію послідовного осадження трьох шарів полікристалічного кремнію , ізольованих один від одного термічно вирощеним оксидом ( рис.16) .
Рис.16. Трьохактна структура з перекриваючими кремнієвими електродами: 1 - полікристалічні електроди; 2 – ізолююча речовина.
Така структура є трьохтактовою ПЗС . Перекриття кремнієвих шарів у країв електродів призводить до того , що реальна ширина зазорів виявляється рівною товщині оксиду і не перевищує 0,1-0,2 мкм. Завдяки вузьким зазорам виникають сильні крайові поля , що забезпечують високу ефективність передачі . Важливим достоїнством даної трирівневої структури , що призводить до зменшення дефектів , є те , що вся поверхня кремнію виявляється досить надійно захищеною. Важливо і те , що полікристалічні кремнієві електроди прозорі і забезпечують максимальне використання активної площі кристала для сприйняття потоку світла . На основі цієї технології створений ФСИ з кадровою організацією , що містить 220X128 елементів розміром 30X30 мкм2 кожен.
Кадрова організація ФСИ на ПЗС набула найбільшого поширення , і на основі її отримані пристрої з найбільшою роздільною здатністю. У фірмі RCA на кристалі 7,6 X10 , 2 мм2 розроблений ФСИ ємністю 256X320 елементів , який при використанні чересстрочного розкладання забезпечує роздільну здатність 512X320 елементів . Іншим способом організації ФСИ є рядкова організація ( рис.17 ) . При цьому матриця містить оптичну секцію і вихідний зсувний регістр . У режимі сприйняття зображення в світлочутливих елементах оптичної секції накопичуються зарядові пакети. Потім послідовно на кожну з рядків через ключі , керовані вертикальним зсувним регістром , подаються тактові імпульси і зарядові пакети переходять у вихідний регістр , з якого вони передаються на вихід.
При рядкової організації секції зберігання не потрібно. Тому для отримання необхідної роздільної здатності кількість ПЗС- елементів може бути вдвічі меншим , ніж при кадровій організації . Зменшується також число переносів. Недоліком рядкової організації є те , що зарядові пакети , що надходять у вихідний зсувний регістр з більш нижніх рядків , проходять більшу кількість розрядів вихідного регістра . Тому затримка відеосигналів на виході виявляється залежною від номера зчитуваного рядка.
Рис.17 Рядкова організація матричного ФСИ:
1 - запускаючі імпульси; 2 - зрушуючі імпульси; 3 - вихідний діод; 4 - генератор розгортки, 5 - ключі вибору рядків; 6 - вихідний регістр; 7 - двотактні зрушуючі імпульси; 8 - оптична секція накопичення зарядів.
Інший недолік рядкової організації пов'язаний з тим , що передача зарядових пакетів рядків здійснюється світлочутливими елементами, тому засвітка , супутня скануванню , спотворює передану інформацію . Вплив дефектів таке ж, як при кадрової організації, тобто несправність одного елемента рядка викликає поява білої або темної смуги на відтворюваному зображенні.
Модифікацією кадрового способу є така організація ФСИ , при якій оптична секція і секція зберігання як би вкладені одна в одну . Кристал містить матрицю світлочутливих елементів , у якій між стовпцями розташовані захищені від світла ПЗС- елементи зберігання . Зарядові пакети , накопичені в світлочутливих елементах , зсуваються в прилеглі до них затемнення стовпці і зберігаються в них. Висновок сигналів у вихідний зсувний регістр здійснюється через підрядник , починаючи з нижнього рядка .
Перевагою модифікованої кадрової організації є зменшення кількості переносів , так як для зрушення всієї картини зарядових пакетів в секцію зберігання потрібно тільки один перенос. Такий ФСИ об'ємом 100X100 елементів був використаний в мініатюрній телевізійної камері MV- 100 розміром 38Х64Х Х90 мм3 і масою 170 г з споживаної потужністю 1 Вт Камера працює при зміні освітленості в діапазоні від яскравого сонячного до кімнатного світла , забезпечує роздільну здатність в 80 рядків при частоті 120 кадрів в секунду.
Рис.18. Прилад з інжекцією заряду:
а - режим накопичення зарядового пакета; б - перенос зарядів під У-шину; в - інжекція зарядів в підкладку при зчитуванні.
Притаманне ПЗС самосканування , використовуване в описаних способах організації , вимагає бездефектності всіх елементів матриці . Несправність одного елемента викликає втрату інформації всього передавального стовпчика або рядка . Адресна організація ФСИ усуває цей недолік. При такому способі організації інформація покоординатного вибирається з окремих елементів. ФСИ з адресною організацією реалізується на приладах з інжекцією заряду в підкладку , що представляють собою різновид ПЗС , в яких зарядова зв'язок існує в парах між двома елементами . Кожна пара містить два МДП - конденсатора , пов'язаних між собою за допомогою р + - області. Затвори конденсаторів підключені відповідно до горизонтальної Х і вертикальної У- шинам ( ріс18 ) . ФСИ являє собою матрицю таких світлочутливих пар. У режимі сприйняття зображення на всі електроди подається негативна напруга зсуву , і фотогенеріруемие носії накопичуються в потенційних ямах під затворами ( рис.18 , а). Зчитування здійснюється покоординатного . Для вибірки елемента з координатами i , k напруга зсуву знімається з i - го рядка і k - гo стовпця. При знятті напруги з одного з затворів накопичені під ним дірки через р. + - область переходять до сусідньої потенційну яму ( рис.18 , 6 ) . При знятті напруг з обох електродів ( що має місце тільки в зчитувати елементі , розташованому на перетині 1 - го рядка і k - гo стовпця ) дірки инжектируются в підкладку і викликають в її ланцюга імпульс струму ( рис.18 , в).
Управління покоординатного вибіркою , що забезпечує послідовне зчитування зарядовим інформації з усіх елементів матриці , доцільно здійснювати за допомогою двох СР на МДП - транзисторах , сформованих на одному кристалі з світлочутливими елементами . На входи обох регістрів надходять імпульси , які при зсуві в даний розряд викликають зменшення напруги на підключеною до нього шині. Частота зрушень в регістрі зчитування рядка в r разів вище , ніж в регістрі стовпця , r - кількість елементів у рядку . Тому спочатку послідовно зчитуються елементи першого рядка , потім у вертикальному регістрі здійснюється зсув на один розряд і починається зчитування наступного рядка і т. д.
Основною перевагою адресному організації є те , що для зчитування зарядового пакету з будь-якого елементу потрібно тільки один перенос ( від одного електрода до іншого) . Тому немає втрат зарядового пакету і спотворень переданої інформації , як у всіх попередніх варіантах. Друга перевага - це послаблення впливу дефектів окремих елементів на якість зображення. Дійсно, якщо несправний один елемент , то на відтворюваному зображенні з'явиться темна або біла точка , а не смуга , як пої інших способах організації . Потенційні ями двох електродів одного світлочутливого елемента пов'язані p + - областю , тому при виготовленні ФСИ на приладах з інжекцією заряду не треба отримувати вузькі зазори. Отже , знижуються вимоги до фотолітографії .
ФСИ з адресною організацією мають і ряд недоліків. При зчитуванні ток сигналу по амплітуді незначно відрізняється від паразитного струму, тому формувач має малий динамічний діапазон (близько 10:1) , і крім того , на виході необхідно мати дуже чутливі порогові схеми . Час зчитування виявляється значним ( близько декількох мікросекунд ) , що обумовлено часом рекомбінації інжектованих з світлочутливого елемента дірок з електронами підкладки. Для управління покоординатного вибіркою потрібні потужні зсувні регістри , що займають велику площу кристала. Наприклад , в ФСИ з повною телевізійної роздільною здатністю ( 500X500 елементів) кожен розряд зсувного регістру повинен забезпечити формування імпульсів на 500 електродах , загальна ємність яких може досягати 20 пФ . Якщо тривалість фронтів імпульсів повинна бути менше 100 нс , то ширина каналів МДП - транзисторів повинна бути більше 100 мкм. Ще одним недоліком є менша , ніж у звичайних ПЗС , ступінь інтеграції , так як адресна вибірка вимагає великої кількості пересічних шин , крім того розміри самого елемента більше.
Удосконалення приладів з інжекцією заряду застосуванням епітаксіальної технології для освіти р- n - переходу з тонкою підкладкою дозволило значно поліпшити параметри ФСИ : збільшити на порядок швидкість зчитування , розширити динамічний діапазон до 500 : 1 , забезпечити ставлення піку сигнал / шум на рівні 1200 : 1 . З використанням адресної організації фірма General Electric розробила формувач сигналів зображень , що містить 256X256 світлочутливих елементів .
Найбільш прості керуючі ланцюги (два тритактовий генератора ) потрібні при модифікованої кадрової організації . Регулярну просту топологію мають ФСИ з малої і з кадровою організаціями . При модифікованої кадрової організації елементи зберігання , розташовані поруч з світлочутливими елементами , необхідно захищати від світла за допомогою металізації , що ускладнює технологію . Технологічними недоліками приладів з інжекцією заряду є необхідність формування в кожному світлочутливому елементі дифузійної області та перетину металізованих шин рядків і стовпців. Найбільша роздільна здатність ( 512Х Х326 елементів) досягнута при використанні кадрової організації тритактовий структур з тришаровими кремнієвими електродами. Таким чином , різні способи організації мають певні переваги і недоліки; найкраще поєднання характеристик мають кадрова і модифікована кадрова організації .\
Рис.19. Рядок ФСИ на МДП-фотодіодних елементах: 1 - фотодіод; 2 - передавальний МДП-транзистор; 3 - вхід тактових імпульсів обслуговуючого зсувного регістру; 4 - зсувний регістр на МДП-транзисторах; 5 - вхід харчування; 6 - вихід відеосигналу.
Рідними ФСИ на ПЗС є матриці на основі МДП - фотодіодних елементів . Ці прилади з'явилися на кілька років раніше ПЗС , на їх основі випускаються лінійні ФСИ , що містять від 64 до 1000 елементів, і матричні ФСИ з роздільною здатністю 5ОХ'5О елементів .
ФСИ на основі МДП - фотодіодних структур являє собою фотодіодний схему , в якій для сканування зарядових пакетів використовуються МДП - транзистори ( рис.19 ) . Сприймається зображення перетворюється в картину зарядових пакетів , накопичуваних на р - n - переходах фотодіодів . Передача зарядів на вихід здійснюється за допомогою послідовно відкриваються МДП - транзистори , які управляються сигналами від зсувного регістру , виконаного також на МДП - транзисторах та сформованого на тому ж кристалі. Таким чином , в даному ФСИ функції перетворення світла в заряд і зберігання заряду виконуються фотодіодами. У ФСИ на ПЗС всі три функції виконуються самими ПЗС- елементами .
Перевагами МДП - фотодіодних структур є відсутність спотворень зарядових пакетів при скануванні (так як потрібно тільки одна передача) ; більша, ніж у ПЗС , фоточутливість , що обумовлено меншим коефіцієнтом відбиття світла в фотодіодною структурі і більшою глибиною ( рівний глибині залягання р- n - переходу ) , на якій накопичуються заряди. Недоліками є велика ( приблизно в чотири рази) площа одного світлочутливого елемента , що складається з фотодіода і МДП - транзистора , що призводить до зменшення роздільної здатності ; більший рівень шумів і менша амплітуда вихідного сигналу , що пов'язано з великою вихідною ємністю , рівної ємності всієї передавальної шини рядка.
Мабуть , для створення ФСИ з великою роздільною здатністю ( для повноформатних передавальних ТБ камер ) використовуватимуться ПЗС . Основні області застосування МДП - фотодіодних структур - системи спостереження , оптичного розпізнавання образів , дефектоскопія і т. п. , тобто системи спеціального малокадрового телебачення з числом елементів розкладання 50X50 .