СОТ

71

Поскольку количество образующихся фотоэлектронов прямо про-

порционально интенсивности светового потока, появляется возможность математически связывать количество падающего света с величиной поро-

ждаемого им заряда. На этом хорошо известном в физике фотоэффекте ос-

нован принцип действия светочувствительных сенсоров. ПЗС-матрица вы-

полняет ряд операций: поглощает и преобразует фотоны в электрический заряд, накапливает его в соответствующих ячейках памяти (потенциаль-

ных ямах), транспортирует заряд к выходному каскаду, последовательно преобразует его в выходное напряжение. В зависимости от технологии из-

готовления различные матрицы по-разному осуществляют задачи хранения и накопления фотоэлектронов. Кроме того, в ПЗС-матрицах могут исполь-

зоваться различные методы преобразования накопленных электронов в электрическое напряжение (аналоговый сигнал).

Простейший ПЗС-сенсор представляет собой МОП-конденсатор,

способный под воздействием света накапливать электрический заряд. По своей внутренней структуре такие конденсаторы представляют собой мно-

гослойную структуру из металла, оксида и полупроводника (от первых букв используемых компонентов они и получили свое название). В качест-

ве полупроводника используется легированный кремний p-типа с избы-

точным содержанием дырок. Над полупроводником расположен тонкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху — слой металла, выполняю-

щий функцию затвора (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Структура МОП-конденсатора (полупроводник p-типа)

72

Под воздействием света в полупроводнике образуются электронно-

дырочные пары, количество которых несет информацию об интенсивности поглощенного света. Однако наряду с процессом генерации происходит и обратный процесс — рекомбинация дырок и электронов. Затвор и слой изолирующего диэлектрика в матрицах разделяют образующиеся электро-

ны и дырки и сохраняют заряды в течение времени считывания очередного кадра. На затвор подается положительный потенциал, создающий прони-

кающее сквозь диэлектрик в полупроводник электрическое поле, под воз-

действием которого дырки — основные носители заряда — сдвигаются в глубь полупроводника в сторону от диэлектрика. На границе полупровод-

ника с диэлектриком образуется обедненная основными носителями об-

ласть, размер которой зависит от величины приложенного потенциала. Эта обедненная область является «хранилищем» для фотоэлектронов. Действи-

тельно, если полупроводник подвергнуть воздействию света, то образую-

щиеся электроны и дырки будут двигаться в противоположных направле-

ниях: дырки — вглубь полупроводника, а электроны — к обедненному слою, где будут сохраняться без процесса рекомбинации в течение требуе-

мого времени. Естественно, что процесс накопления электронов не может происходить бесконечно. По мере увеличения количества электронов меж-

ду ними и положительно заряженными дырками возникает наведенное электрическое поле, направленное противоположно полю, создаваемому затвором. В результате поле внутри полупроводника уменьшится до нуля,

после чего процесс пространственного разделения дырок и электронов ос-

тановится и число «информационных» электронов в обедненном слое пе-

рестает расти.

Задача передачи информационных электронов в выходные блоки в ПЗС-структурах решается специальными транспортными регистрами

(рис 2.24). Принцип работы приборов с зарядовой связью заключается в перемещении локализованных зарядовых пакетов вдоль структуры разде-

ленных полупроводниковыми барьерами обедненных областей, форми-

73

рующихся под положительно заряженными затворами. Пусть в результате фотогенерации под одним из затворов, находящимся под воздействием по-

ложительного напряжения, накоплены электроны (рис 2.24,а). Если на со-

седний затвор подать более высокий положительный потенциал, то элек-

троны начнут перетекать в область более сильного поля, то есть переме-

щаться от одного затвора к другому (рис 2.24,б). Определенный порядок и форма управляющих напряжений на затворах ПЗС-структуры обеспечива-

ют последовательную транспортировку зарядовых пакетов к выходному каскаду.

а) б)

Рис. 2.24. Процесс перемещения локализованного зарядового пакета

Для перемещения накопленного заряда удобно использовать струк-

туры, состоящие из трех типов затворов — передающего, принимающего и изолирующего (разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга). Одноименные затворы таких структур объединяются в единую так-

товую шину управления (рис. 2.25). Трехфазными транспортные регистры наиболее распространены, так как не предъявляют особых требований к форме управляющих напряжений.

Шина управления

Рис. 2.25. Соединение затворов различных типов

74

Выше рассматривалась работа ПЗС-матрицы в плоскости вдоль бокового разреза, что соответствует формированию одной строки изображения. Для растровых (не линейных) матриц необходим механизм удержания элек-

тронов в поперечном направлении, при котором «межстрочный» затвор подобен длинной полоске. Учитывая, что освещение полупроводника не-

однородно в пределах такой полоски, скорость образования электронов под воздействием света по длине затвора не однородна. Если не принять мер по локализации электронов вблизи области их образования, то в ре-

зультате диффузии концентрация электронов в продольном направлении выравняется, и соответствующая информация теряется. Первые версии ПЗС-структур использовали затворы, одинаковые по размерам как в про-

дольном, так и поперечном направлении, что требовало размещения слиш-

ком большого числа затворов на кристалле. Для локализации образующих-

ся электронов в продольном направлении в современных изделиях исполь-

зуют так называемые стоп-каналы, представляющие собой узкие полоски полупроводника с повышенным содержанием легирующей примеси р+-

типа (рис. 2.26).

Полупроводник р-типа

Полупроводник р+-типа

Рис. 2.26. Формирование стоп-каналов

75

Рассмотренная структура ПЗС-матрицы носит название ПЗС с по-

верхностным каналом передачи, так как канал, по которому передается на-

копленный заряд, находится на поверхности полупроводника. Поверхно-

стный способ передачи имеет ряд существенных недостатков, связанных с нарушениями кристаллической решетки полупроводника на границе с ди-

электрическим слоем. Отсутствие в граничных областях полупроводника симметрии решетки приводит к образованию энергетических ловушек, ко-

торые могут захватывать фотоэлектроны и препятствовать их передаче от одного затвора к другому. Кроме того ловушки могут непредсказуемо вы-

свобождать электроны, что приводит появлению «шума» (паразитного сигнала).

Чтобы избежать подобных явлений канал переноса заряда следует отодвинуть вглубь проводника. В приповерхностной области полупровод-

ника p-типа создавался тонкий слой полупроводника n-типа, в котором ос-

новными носителями заряда являются электроны (рис. 2.27).

Диэлектрик

Полупроводник n-типа

Электрическое поле затвора

Полупроводник p-типа

Рис. 2.27. Сдвиг канала переноса зарядовых пакетов вглубь проводника

На границе двух полупроводников с различными типами проводимо-

сти за счет диффузии дырок и электронов во взаимно противоположных направлениях и их рекомбинации формируется обедненный слой. Подача положительного потенциала на затвор увеличивает размер обедненной об-

76

ласти вглубь проводника, где поверхностные ловушки отсутствуют. Все современные ПЗС-структуры имеют такой скрытый канал переноса.

Несмотря на то, что ПЗС-устройства состоят из дискретных элемен-

тов (пикселов), они не являются цифровыми устройствами. Каждый пиксел соответствует одной элементарной точке формируемого изображения.

Обедненная область под затвором пиксела может содержать любое число электронов, пропорциональное падающему на него свету, представляя со-

бой аналоговую информацию. ПЗС-устройство по сути является светочув-

ствительным аналоговым сдвиговым регистром.

ПЗС-матрица, в отличие от передающих телевизионных трубок, по-

зволяет формировать кадр изображения не построчно, а одновременно на всех элементах фоточувствительной области, однако требует конструктив-

ных решений, позволяющих преобразовать полученный кадр в видеосиг-

нал (рис. 2.28) [11].

Объектив проецирует круглое по форме изображение, но фоточувствительная область

представляет собой прямоугольник с соотношением сторон 4:3

Рис. 2.28. Принцип работы ПЗС-матрицы

Конструктивно можно выделить две основные схемы ПЗС-матриц: с

покадровым переносом и с межстрочным переносом.

В матрице с покадровым переносом имеются две равнозначные сек-

ции с одинаковым числом строк: накопления (область изображения) и хра-

нения (область маски). Каждая строка в этих секциях образована тремя за-

творами (передающим, принимающим и изолирующим). Строки разделе-

77

ны множеством стоп-каналов, формирующих ячейки накопления в гори-

зонтальном направлении. Наименьший структурный элемент ПЗС-

матрицы (пиксел) создается из трех горизонтальных затворов и двух вер-

тикальных стоп-каналов (рис. 2.29).

Область

изображения

Область маски Выход

аналогового

видеосигнала

Горизонтальный сдвиговый регистр считывания

Рис. 2.29. ПЗС-матрица с покадровым переносом

За время экспозиции в секции накопления образуются фотоэлектро-

ны. Тактовые импульсы, подаваемые на затворы, переносят накопленные заряды кадра целиком из секции накопления в затененную секцию хране-

ния, после чего секция накопления очищается и может повторно накапли-

вать заряды, в то время как из секции хранения заряды поступают в реги-

стры считывания.

Структура горизонтального регистра аналогична структуре ПЗС-

сенсора — три затвора для переноса заряда. Каждый элемент горизонталь-

ного регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции

78

памяти, и за каждый тактовый импульс из секции накопления в регистр считывания поступает вся строка целиком, которая после этого передается в выходной усилитель для дальнейшей обработки.

Рассмотренная схема ПЗС-матрицы имеет одно несомненное досто-

инство — высокий коэффициент заполнения (fill factor). Этим термином принято называть отношение фоточувствительной площади матрицы к ее общей площади. У матриц с покадровым переносом коэффициент запол-

нения практически достигает 100 %, что позволяет добиваться максималь-

ной чувствительности прибора.

В процессе покадрового переноса заряда из секции накопления в секцию хранения первая остается освещенной, а накопление фотоэлектро-

нов в ней продолжается, поскольку перенос не может осуществляться мгновенно, и даже за короткое время, в течение которого он происходит,

яркие участки изображения успевают внести паразитный вклад в «чужие» соседние зарядовые пакеты. В результате проявляется так называемый эф-

фект растекания заряда — характерные искажения в виде вертикальных полос, простирающихся от ярких участков кадра через все изображение.

Наиболее радикальным способом борьбы с этими искажениями является разделение секции накопления и секции переноса, с тем чтобы перенос протекал в затененной области. Матрицы такой архитектуры получили на-

звание ПЗС с межстрочным переносом (рис. 2.30).

В отличие от матрицы с покадровым переносом, в качестве элемен-

тов накопления заряда здесь выступают фотодиоды (фотосенсоры). Заря-

ды, накапливаемые фотодиодами (область изображения), передаются в за-

тененные ПЗС-элементы (область маски), которые осуществляют даль-

нейший перенос заряда к транспортным регистрам.

Выход

аналогового

видеосигнала

Горизонтальный сдвиговый регистр считывания

Рис. 2.30. ПЗС-матрица с межстрочным переносом Одной из новых разработок является ПЗС-матрица с кадрово-

строчным переносом (рис. 2.31) [11], которая обладает всеми преимущест-

вами строчного переноса, снижает эффект растекания заряда и имеет по-

вышенное отношение сигнал/шум. Такая матрица работает со строчным переносом в верхней части матрицы и имеет электронный затвор. Однако изображение не удерживается в колонках маски в течение экспозиции сле-

дующего поля, а сдвигается вниз в более защищенную область маски.

Область Область изображения маски

Рис. 2.31. ПЗС-матрица с кадрово-строчным переносом

80

Чтобы камера могла различать цвета, непосредственно на активные пикселы накладывается массив цветных фильтров (CFA, color filter arrays).

Принцип действия цветного фильтра очень прост: он пропускает свет только определенного цвета (определенной длины волны). Применяемая в телевидении RGB-модель цветовосприятия использует три базовых цвета

— красный, зеленый и синий, поэтому оптический тракт цветной камеры должен содержать три цветных фильтра. Так как преобразователи на ПЗС имеют максимальную чувствительность в ИК-области спектра, а кривая спектральной чувствительности камеры должна соответствовать чувстви-

тельности глаза, в оптическую часть камеры устанавливаются фильтры цветовой коррекции и ИК-отсечки.

Цветные видеокамеры повышенной чувствительности содержат три ПЗС-матрицы — по одной для каждого цвета. В таких камерах непосред-

ственно за объективом располагается светоделительная призма с цветными фильтрами, которая разделяет световой поток на три части в соответствии с их спектральными составляющими. Однако большинство передающих камер, применяемых в системах охранного телевидения, строятся на осно-

ве специализированных ПЗС-матриц, у которых для каждого элемента изображения имеется три фоточувствительных области с цветовыми фильтрами. На выходе транспортного регистра матрицы вырабатывается три аналоговых сигнала, на основе которых можно сформировать ПЦТС или сигнал S-видео.

В цифровых телевизионных системах для сжатия объема передавае-

мой информации используются различные методы кодирования видеосиг-

нала и соответствующие им конструктивные способы получения яркост-

ных и цветовых сигналов. Наиболее популярным является метод формиро-

вания видеосигнала, основанный на цветовой модели Байера (Bayer pattern). В такой системе перед ПЗС-матрицей высокого разрешения раз-

мещаются массивы фильтров: красные, зеленые и синие элементы которых располагаются в шахматном порядке. При этом количество зеленых