Глава 7. Приборы с зарядовой связью.
Значительной информативной ценностью обладают изображения биообъектов и его частей, получаемые в ходе эндоскопических, рентгеновских и других видов визуальных и интроскопических исследований.
Для регистрации, фиксации и передачи на дальнейшую цифровую обработку различных типов изображений все чаще используют матрицы, содержащие множество схемочувствительных элементов, построенных на основе приборов с зарядовой связью – ПЗС – матрицы (в английском варианте charge-coupeed devices – CCD).
7.1. Устройство пзс.
ПЗС-структуры – это интегральные полупроводниковые приборы, в основе работы которых лежит принцип создания, передачи и хранения локализованного зарядового пакета в потенциальных ямах, образуемых в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейки или матрицы близко расположенные друг к другу МОП-конденсаторов. Соответствующие последовательности тактовых импульсов на затворах такой матрицы смещают ее отдельные МОП-конденсаторы в режим глубокого обеднения, так что зарядовые пакеты могут храниться под электродами матрицы и контролируемым образом перемещаться вдоль поверхности кристалла, перетекая из-под одних электродов матрицы к соседним электродам.
Типовая конструкция ячейки матрицы ПЗС представлена на рис. 7.1.
Заряд электронов
Рис. 7.1. Типовая конструкция элемента ПЗС-матрицы.
Базой для конструкции является полупроводниковая кремниевая подложка р-типа, на которой располагается тонкий (0.1…0.15 мкм) слой диэлектрика, например, на основе оксида кремния. На диэлектрике располагаются полоски проводящих электродов (металл, поликристаллический кремний). Электроды образуют линейную или матричную регулярную систему с малыми расстояниями между ними такими, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Электроды с подложкой образуют конденсаторы (С1, С2 и С3) МОП-типа (металл-окисел-полупроводник).
Если к какому-либо электроду, например, С2, приложить положительное напряжение +U, то в МДП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра.
Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электронов (неосновных носителей), которые под действием поля будут перемещаться к границе раздела полупроводник-диэлектрик и локализоваться в узком инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они “скатываются” из обедненного слоя под действием электрического поля. Генерированные в обедненом слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.
В течение заданного интервала времени каждый пиксель постоянно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за обедненной области, медленно движутся-диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в ристал кремния и зарядовый пакет размывается, что может привести к искажению изображений. Заряд, накопленный под одним электродом, может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен. Перемещая таким образом заряды по ПЗС-структурам, можно их передавать на дальнейшую обработку с целью синтеза соответствующих изображений.
Известно, что для передачи зарядовых пакетов вдоль их линейки достаточно иметь три управляющих электрода: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего. изолирующий электрод разделяет пары передающих и принимающих электродов различных пикселей (рис. 7.2а).
Рис. 7.2. Схема перемещения зарядов а ПЗС с трехфазным управлением
При повышении потенциала на последующей шине φi (i=1, 2, 3) и его понижении на предыдущей шине происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы. В варианте временных диаграмм, показанных на рис. 7.2б, передача (сдвиг) зарядов происходит следующим образом. Пусть, например, заряды в ПЗС в некоторый момент времени расположились так, как это показано на рис. 7.2а (различный заряд в каждой потенциальной яме, сформированный различным освещением элементов ПЗС, условно обозначен различным количеством знаков “–”). Отсутствие на первых двух электродах положительных потенциалов Ф1 и Ф2 и присутствие положительного потенциала на электроде Ф3 переместит заряд из-под электрода 2 под электрод 3, то есть произойдет сдвиг заряда на один элемент ПЗС вправо. Далее появляется сигнал Ф1, а сигнал Ф3 снимается, что приведет к перемещению зарядов из-под электродов 3 под электрод 1 пикселей, расположенных справа от соседнего пиксела. При появлении сигнала Ф2, снятии сигнал Ф1 и отсутствии сигнала Ф3, заряды переместятся из-под электрода 1 под электрод 2 и т.д. Таким образом все заряды одновременно перемещаются слева направо.
Для организации передачи зарядов между элементами ПЗС формируют так называемые электроды переноса (transfer date).
Последовательность элементов ПЗС с электродами переноса, объединенных шинами управления переносом зарядов, называют регистром, а тройки электродов одного пиксела – элементом регистра.
Нетрудно заметить, что за полный цикл управления (один такт, прошедший по всем фазным шинам) заряды перемещаются на один элемент регистра. По своей организации такой регистр соответствует последовательному регистру сдвига. Для считывания информации с регистра на его выходе ставят усилитель, с которого снимают последовательность сигналов, формируемых в результате перемещения накопленных в ПЗС зарядов и которые соответствуют «картинке» зафиксированной линейкой пикселов на ПЗС.
На практике кроме трехфазного управления используется также трехфазное и четырехфазное управление.