7. Перспективи розвитку фси на пзс.

Функціональні можливості ФСИ на ПЗС поки далеко не вичерпані. В даний час на основі ПЗС розробляються головним чином формувачі сигналів зображень видимого світла . Проте їх можливості тягнуться і на ІК діапазон. Електромагнітні хвилі ІЧ діапазону викликають генерацію електронно -доручених пар не за рахунок переведення електронів з валентної зони в зону провідності ( для цього необхідна велика енергія ) , а за рахунок збудження електронів з дрібні домішкових рівнів . Для того щоб ці рівні нерозряджаються без впливу ІК випромінювання , необхідно значно зменшити термогенерации , тобто охолодити кристал . Так як кристал має невеликі габаритні розміри , то завдання його охолодження може бути вирішена відносно просто. Використовуючи домішки , що утворюють різні за глибиною рівні , можна домогтися ефективного сприйняття зображень в різних піддіапазонах ІЧ області .

Ще одне розширення функціональних можливостей ПЗС пов'язано з тим , що глибина збідненого шару , що утворюється під затвором , залежить від напруги на ньому. Враховуючи також сильну залежність коефіцієнта поглинання світла від довжини хвилі  можна створити спектрально -чутливі ФСИ , що дозволяють виділяти певні кольори у видимій частині спектру.

Найбільш очевидною областю застосування ФСИ на ПЗС є передавальні телевізійні камери. Однак сучасні зразки формувачів з найбільшою роздільною здатністю поки не задовольняють вимогам телевізійного стандарту і не забезпечують неспотворену передачу зображень з яскравими ділянками . Очікується , що найближчим часом ці труднощі будуть подолані.

На основі існуючих ФСИ можна створювати портативні і енергоекономічних передавальні камери з меншою роздільною здатністю , призначені для промислового застосування , навчальних , медичних і спортивних цілей. Вже згадувалося про чорно - білої передавальної камері MV- 100 , в якій . Використовується ФСИ на ПЗС з роздільною здатністю 100ХЮ0 елементів . На основі приладів з інжекцією заряду на кристалі 8,4 X11 , 2 мм2 розроблена багатоелементна матриця , яка при використанні черезрядковості дає роздільну здатність 512X256 елементів . Розмір кристала дозволяє використовувати оптику від 16 -мм кінокамер.

На основі ФСИ та ПЗС можна побудувати кольорову передавальну телевізійну камеру. Для цього використовуються три кристала ФСИ і стандартний цветоделітельной блок , в якому світловий потік зображення розщеплюється на три кольори , що надходять на відповідні кристали ФСИ . У ФСИ ці світлові потоки перетворюються в відеосигнали . Завдяки фіксованою конфігурації матриць і Тактируемого самосканування в ФСИ на ПЗС усувається трудність точного поєднання розгорнутих зображень , існуюча в кольорових телевізійних камерах з трьома трубками і викликає появу «кольорової бахроми » на відтворюваному зображенні.

Передавальні камери для малих рівнів освітленості є ще однією перспективною сферою застосування ПЗС . Основною проблемою , що виникає при малих рівнях освітленості , є шуми , які стають порівнянними з сигналом. Власні шуми ПЗС , зумовлені флуктуаціями фонового заряду і флуктуаціями зарядових втрат при передачі , дозволяють досягти мінімального рівня освітленості , відповідного 60-100 електронам водному зарядовим пакеті. При такому малому сигналі визначальну роль починають грати шуми вихідного підсилювача . Ці шуми можуть бути значно знижені за допомогою багаторазового неруйнівного зчитування і подальшого складання вихідних сигналів , в результаті якого флуктуації усереднюються і ставлення сигнал / шум ks / N збільшується. Подібний принцип реалізується за допомогою многоразрядного підсилювача , так званого « розподіленого підсилювача з плаваючим затвором » ( РУПЗ ) ( рис.20 ) . До кожного біту останні Nвих розрядів вихідного зсувного регістру підключений підсилювач зарядів з плаваючим затвором.

Рис.20. Схема ,багаторозрядного розподіленого підсилювача з плаваючими затворами:

1 - вихідний зсувний регістр; 2 - додатковий зсувний регістр із збільшеною площею ПЗС-елементів; 3 - підсилювачі зарядових сигналів.

Посилені зарядові сигнали надходять у додатковий зрушувальний регістр з більшою площею затворів. Обидва регістра управляються однаковими тактовими імпульсами і передача зарядів у них здійснюється синхронно. У кожному додатковому регістрі до переданого зарядовому пакету додається відповідний йому посилений заряд. Так як посилення вихідних сигналів здійснюється багаторазово , в різних елементах , і в різні моменти часу , то вся флуктуація усереднюються .

Структура підсилювача ( рис.21 ) включає в себе тактовий електрод , під яким розташований плаваючий затвор. При надходженні тактового імпульсу зарядовий пакет з попереднього ПЗС -елемента перетікає (у напрямку , перпендикулярному площині малюнка) до потенційної ями розглянутого ПЗС -елемента і викликає зміна потенціалу на плаваючому затворі , який виступає за площини ПЗС -елемента . Виступаюча частина є затвором МДП - транзистора , контролюючого передачу посиленого зарядового пакета ( також у напрямку , перпендикулярному площині малюнка) у вихідні ПЗС- елементи більшої площі .

Рис.21. Структура (а) і еквівалентна схема (б) підсилювача з плаваючим затвором: 1 - тактовий електрод; 2 - плаваючий затвор; 3 - потенційна яма ПЗС; 4 - канал МДП-транзистора; 5 - каналообмеження n +-області.

Відповідно до еквівалентної схеми підсилювача (рис.21, б) початкова напруга, встановлюваювальна на плаваючому затворі (вузол I) після приходу тактового імпульсу (але до настання зарядового пакета Q), одне:

φ1 = U'фС2/[С2 + С1 С3(С1 + С3) + С4 + Свх], (8)

де С2 - ємність конденсатора, утвореного тактовим електродом і перекривається частиною плаваючого затвора; d-ємність діелектрика, розташованого під перекривається частиною плаваючого затвора; С3 - ємність поверхневого збідненого шару ПЗС-елемента; С4-ємність між плаваючим затвором і каналоогранічівающей п + - дифузійної областю ; Свх - ємність виступаючого ділянки плаваючого затвора на підкладку. Неважко переконатися, що після приходу Q зміна потенціалу Δφ1 становить:

Δφ1/Q= -[ С2 + С4 + Свх+ х(С1 + С2 + С4 + Свх)]-1 (9)

Знак мінус в (7) відображає той факт, що збільшення заряду Q викликає зменшення потенціалу плаваючого затвора.

Зміна потенціалу Δφ1 викликає зміну струму стоку МДП-транзистора. Якщо його крутизна дорівнює g = dIc/dU3, то коефіцієнт посилення заряду AQ дорівнює:

AQ = QY/Q ( Δφ1/Q)·g·ty . (10)

де Qy - посилений заряд, ty - тривалість стробирующего імпульсу, який відкриває ланцюг передачі заряду через МДП-транзистор.

Крім посиленого інформаційного заряду в ПЗС-елементи вигідного регістра надходить фоновий заряд Qф, обумовлений початковим зміщенням φ1 затвора МДП-транзистора:

Qф=ICtY (11)

Величина фонового заряду повязана і пов'язані з цим шуми рівні:

. (12)

Відношення сигнал / шум в одному розряді рулз одно:

. (13)

Якщо використовувати звичайну модель МДП-транзистора

, обчислити крутизну g і підставити вирази для g і Iс в (11), то отримаємо, що ks / N не залежить від режиму МДП-транзистора:

kS/N = Δφ12{kty/[q(1+x)]}1/2, (14)

де k - питома крутизна МДП-транзистора, х - коефіцієнт впливу підкладки.

З (14) випливає, що існує оптимальна величина ємності виступаючої частини плаваючого затвора Свх опт, при якій kS / N максимальний. З умови dkS / N / dCBХ = 0, використовуючи також (8) і (12), отримаємо

Свх опт = С2+С2+С1х/(1+х). (15)

Однак реально МДП - транзистор працює в режимі мікрострумів , в якому його характеристики відхиляються від звичайної моделі . Тому kS / N залежить від режиму і більш точно оптимальне значення Свхопт можна визначити за допомогою експериментальних вольтамперних характеристик.

Так як РУПЗ містить NBblХ розрядів , то сумарне посилення інформаційного заряду буде в NBblХ разів більше (порівняно з одним розрядом ) , а сумарні шуми збільшаться тільки в ( NBblХ ) 1 / 2 разів. Отже , kS / N в многоразрядовом підсилювачі пропорційний ( Nnux ) 1 / 2 і потрібне значення kS / N може бути досягнуто за допомогою певного числа розрядів РУПЗ .

Для отримання kS / N = 5 при зарядовим сигналі Q = 10-5 пК . (що відповідає 60 електронам ) потрібно 12 розрядів підсилювача. Зміна потенціалу плаваючого затвора від такого заряду дуже мало , 150мкВ . Тому для реалізації РУПЗ необхідні високостабільні джерела живлення . Площа ПЗС- елементів у РУПЗ визначається з умови розміщення в потенційній ямі останнього елемента сумарного посиленого інформаційного зарядового пакету і сумарного фонового заряду.

Ще однією можливою областю застосування ФСИ на ПЗС є астрономічні прилади та фотодатчики для реєстрації елементарних частинок. У цих приладах використовується чітка геометрична фіксація елементів ФСИ , що дозволяє з високою точністю визначати координати необхідного елемента зображення .

На закінчення докладніше зупинимося на використанні ПЗЗ в системах формування сигналів ІК зображень. Існують три області для їх застосування : ущільнення за допомогою ПЗЗ інформації , що знімається з ІЧ приймача; організація тимчасової затримки та інтегрування знімається інформації; безпосередня реєстрація ІК сигналів за допомогою ПЗЗ , сформовані на напівпровідниках з вузькою забороненою зоною.

Входи матриці ПЗС , використовуваної для ущільнення інформації , через ємнісні зв'язку з'єднуються з виходами приймачів ІЧ випромінювання ( рис.22 ) . У кожному ПЗС- елементі утворюється зарядовий пакет , пропорційний вихідному напрузі відповідного приймача. Потім картина зарядів сканується ( передається ) на вихід. Застосування ПЗЗ в цьому випадку дозволяє здійснювати ущільнення інформації всередині самого дьюара ( використовуваного для охолоджування ІК приймачів ) , що призводить до зменшення кількості висновків з дьюара і до мінімізації теплового навантаження . З цим методом застосування пов'язані дві проблеми: перехресні перешкоди між каналами , обумовлені втратами зарядів при перенесенні , і шуми , що виникають при інжекції в ПЗС зарядів .

При використанні ПЗС для отримання тимчасової затримки та інтегрування сигналів кожен ПЗС- елемент з'єднується з відповідним ІК приймачем. ІК зображення переміщається щодо матриці приймачів з деякою швидкістю і кожен елемент зображення послідовно проходить всі приймачі відповідного стовпця матриці ( рис.23 ) . Перенесення зарядових пакетів уздовж ланцюжка ПЗС- елементів здійснюється з такою ж швидкістю. У результаті час інтегрування зображення збільшується в k раз , де k - кількість елементів у стовпці (рівне числу рядків в матриці ІК приймачів ) .

Рис.22. Використання ПЗС для ущільнення та передачі на вихід інформації, що знімається з ІК приймачів:

1 - ІК приймачі; 2 - буферні елементи; 3 - ПЗС

Рис.23. Використання ПЗС для тимчасової затримки та інтегрування знімається з ІК приймачів інформації:

1 - ІК приймачі; 2 - буферні елементи; 3 - ПЗС. Напрями, а також швидкості переміщення ІК зображення (4) і передачі зарядів уздовж ПЗС (5) збігаються.

Якщо матриця містить r таких стовпців , то загальна кількість з'єднань між матрицею приймачів і ПЗС складає kr . Надійне виготовлення великого числа внутрісхемних сполук є складною технологічною задачею при створенні подібних систем .

У третьому варіанті , названому ІК ПЗС , самі ПЗС використовуються для реєстрації та формування сигналів ІК зображень. У цьому випадку організація матриці така ж , як у світлочутливих ПЗС . Основні проблеми ІК ПЗС наступні. Для сприйняття ІК випромінювання необхідні вузькозонних напівпровідники , ширина забороненої зони яких ( що визначає положення максимуму поглинання ) відповідає вікнам атмосферної прозорості для ІК випромінювання: 2-2,5 ; 3,5-4,2 ; 8-14 мкм. Відповідні матеріали є серед бінарних і потрійних сполук типу АIIIВV , AIIIBVI , AIVBIV , наприклад InAs , InSb і т. д. Технологія виготовлення МДП - структур на таких матеріалах поки недостатньо відпрацьована. Створення ІК ПЗС на несобственном напівпровіднику також представляє відомі труднощі.

Друга проблема пов'язана з високим рівнем фонового випромінювання в ІЧ області спектра і низькою контрастністю ІК зображень. Це призводить до накопичення в потенційних ямах ПЗС великого паразитного заряду. Низька контрастність накладає жорсткі вимоги на допустиму величину нерівномірності фоточутливості (від елемента до елемента ) , яка не повинна перевищувати декількох відсотків. Таке обмеження обумовлює жорсткі вимоги до технології , особливо до фотолітографії .

Останнім часом певні успіхи досягнуті в технології МДП - структур на InSb з плівкою Оксин - Тріда кремнію в якості діелектрика (отриманої за допомогою осадження ) і ніхромовим затвором. Щільність поверхневих станів в таких структурам становить 1012 см - 2 , а час релаксації МДП - ємності досягає 0,1 с при температурі 77 К.

За конструктивно технологічними характеристиками формувачі ІК сигналів на ПЗС підрозділяються на монолітні і гібридні . Монолітні формувачі включають в себе , перш за все , ІК ПЗС на вузькозонних напівпровідниках або широкозонних напівпровідниках , чутливих до ІК випромінювання , а також прилади, що містять на одному кристалі чутливу до ІК випромінювання матрицю на елементах з бар'єром Шоттки (з внутрішньої фотоемісії ) і прочитує схему на ПЗС .

На противагу монолітним приладам гібридні прилади є комбінацією ІК приймачів різних типів і кремнієвого ПЗС , використовуваного для зрушення інформації на вихід , а в загальному випадку і для її обробки : посилення , підсумовування , обчислення кореляційних функцій. Гібридні формувачі , в свою чергу , можна розділити на прилади з прямою інжекцією , в яких фотогенератор ІК приймача вводить заряди безпосередньо в ПЗС , і на прилади з непрямою інжекцією , в яких між ІК приймачем і ПЗС існують буферні елементи (МДП - транзистори або підсилювальні каскади ) . В якості ІК приймачів можна використовувати фотовольтаїчні , фоторезистивні і піроелектричні приймачі .