Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

+£•„ плавающий

SiC

выход

Рис, 5,7. Метод неразрушающего считывания информации с ПЗС с помощью плавающего затвора (с) и эквивалентная электрическая схема узла

считывания (б)

близко расположенных одномерных линеек, закрытых красным, зеленым и синим светофильтрами.

Двумерные приемники изображения широко используются в телевизионных системах. При передаче телевизионного сигнала принято использовать чересстрочную развертку, при которой каждый передаваемый кадр изображения разбивается на два полукадра, состоящих из четных и нечетных строк. Удвоенная частота, с которой передаются полукадры, позволяет ослабить мерцание экрана и более качественно (без рывков) передавать изображение быстро движущихся объектов.

Для формирования чересстрочной развертки с помощью П З С было предложено два подхода. Первый из них проиллюстрирован на рис. 5.8. В этом подходе заряды, накапливаемые в двух группах фоточувствительных ячеек с полупрозрачными верхними электродами (/ и 2), которые отвечают четным и нечетным строкам, во время обратного хода кадровой развертки поочередно передаются в вертикальные регистры сдвига (ячейки хранения, защищенные от света) Каждый раз после того, как очередная строка передана (во время обратного хода строчной развертки) зарядовые пакеты в вертикальных регистрах сдвига перемещаются на строку вниз, а заряды из нижней строки передаются в горизонтальный регистр сдвига и во время прямого хода поэлементно поступают на усилитель считывания. По окончании передачи одного полукадра в ячейки хранения переносятся заряды, накопленные в фоточувствительных ячейках другого полукадра, и процедура поэлементного вывода изображения продолжается.

) Защита ячеек от света необходима для того, чтобы на изображении не появлялись дефекты в виде полос, тянущихся в одном направлении от ярких точек на изображении.

регистр сдвига Рис. 5.8. Формирователь изображения на ПЗС [52]

Во втором подходе к формированию чересстрочной развертки фоточувствительные ячейки имеют вид вертикальных столбцов, простирающихся на всю высоту ПЗС, а изменение пространственного положения областей собирания носителей в конкретных местах этой ячейки осуществляется «электронным» спосо-

Это позволяет перемещать центры потенциальных ям в фоточувствительных ячейках точно на половину расстояния между ячейками хранения и таким образом формировать четные и нечетные

ПЗС позволяют одновременно производить накопление текущего кадра изображения в фоточувствительных ячейках и вывод предыдущего кадра из ячеек хранения. Управляющие электроды фоточувствительных ячеек обычно изготавливаются из поликристаллического кремния (слой поликремния толщиной 4000 А достаточно прозрачен во всем диапазоне видимого света), а управляющие электроды ячеек хранения изготавливаются из какогонибудь непрозрачного металла (например, алюминия).

Для создания цветных передающих камер для телевидения и видеокамер используются два варианта конструкций. В более дешевых камерах разделение цветов осуществляется путем нанесения на поверхность ПЗС-матрицы в строгом соответствии с положением фоточувствительных ячеек либо цветных полос, изготовленных из красителей, либо интерференционных фильтров. В более дорогих камерах одновременно используются три идентичных ПЗС, а цветоделение осуществляется с помощью

и*

324 Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

призменного устройства расщепления луча с дихроичными зеркалами.

Интересной особенностью ПЗС является то, что проецировать изображение на него можно как со стороны управляющих электродов, так и со стороны подложки. При освещении структуры со стороны контактов необходимо, чтобы электроды были полупрозрачными; обычно такие электроды изготавливают из поликремния. Хотя эффективность создания электронно-

иметь в виду, что при освещении структуры со стороны контактов из-за отражения света на нескольких границах кремния и поликремния с S1O2 возникает интерференция, которая приводит к появлению дополнительных пиков и провалов на кривых спектральной чувствительности приемника, а из-за отражения света от структуры и поглощения света в электродах до фоточувствительных ячеек доходит лишь 3 5 - 5 0 % падающих квантов. Поэтому характерное значение квантовой эффективности ПЗСприемника при освещении со стороны контактов ограничивается указанными цифрами 1).

При освещении П З С со стороны подложки квантовая эффективность и «гладкость» спектра фоточувствительности выше, однако пространственное разрешение приемника (то есть способность различать быстро чередующиеся светлые и темные линии на изображении) ниже, поскольку возбужденные у нижней границы подложки неосновные электроны в процессе диффузии к потенциальным ямам, расположенным на противоположной стороне пластины, могут заметно смещаться в поперечном направлении. Чтобы это диффузионное «размытие» было малым, подложка такого прибора должна быть очень тонкой. На интегральную чувствительность приемника также влияет и его конструкция; так, например, в конструкции, показанной на рис. 5.8, ячейки хранения закрыты системой непрозрачных металлических электродов, и поэтому интегральная чувствительность такой структуры оказывается вдвое ниже; цветные светофильтры также снижают чувствительность ПЗС-приемников. Для повышения интегральной чувствительности каждый элемент матрицы П З С может быть снабжен микролинзой, которая направляет падающий световой поток на фоточувствительную область ячейки.

') Квантовую эффективность удается поднять до 70% если использовать контакты из прозрачных проводящих окислов металлов (ТпгОз-БпОг).

326 Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

создать приемники изображения, работающие практически в лю

бом спектральном диапазоне.

- Ж

Рис. 5.9. Схемы объединения (а) и деления (б) зарядовых пакетов при аналоговой обработке сигналов (212]

Приемники изображения, работающие в инфракрасной области (ИК) спектра, необходимы во многих областях науки и техники. Сре- ди возможных применений этих приемников можно указать решение задач разведки и наблюдения (в том числе и из космоса), создание приборов тепловидения для промышленных приложений и медицины, Наиболее актуальной является разработка приемников, работа- ющих в окнах прозрачности атмосферы в диапазонах 2-2,5, 3,5-4,2 и 8-14 мкм, в которых ИК-излучение слабо поглощается присутствую- щими в воздухе углекислым газом и парами воды. Для тепловизионных приложений, регистрирующих собственное ИК-излучение объектов, необходимо достичь разрешения по температуре, равного ОЛ К. При

полупроводника и идентичность характеристик фоточувствительных ячеек.

Существуют два типа приемников изображения на ПЗС» работающих в ИК-области: монолитные приборы, в которых фоточувствительная матрица и регистры сдвига изготавливаются из одного и того же полупроводника, и гибридные приборы, в которых схемы считывания и регистры сдвига ПЗС изготавливают из кремния, а фоточувствительные ячейки — из другого материала.

Монолитные ИК-приемники изображения из кремния используют два принципа: 1) фоточувствител ьность барьера Шоттки и 2) создание фоточувствительного слоя за счет легирования полупроводника. Первый из этих принципов основан на явлении фотоэмиссии электронов из металла при поглощении света в барьере Шоттки. Область спектральной чувствительности таких приемников определя-

различными примесями (Р, Ga, In) создается фоточувствительный слой. При охлаждении прибора до температуры, отвечающей практически полному вымораживанию носителей на примесях, получается приемник, область спектральной чувствительности которого определяется энергией ионизации использованной примеси.

Монолитные приемники можно создавать и из других полупроводников; в этом плане были исследованы Ge, GaAs, InAs, InSb, Hg0.eCd0.2Te, PbS, PbTe и Pbo,76Snot24Te, ширина запрещенной зоны в которых меньше, чем в Si. К сожалению, высокая плотность поверхностных состояний на границе этих полупроводников с диэлектриками мешает получить достаточно высокую эффективность переноса в изготовленных из них монолитных приемниках.

Гибридные приемники могут использовать как прямую инжекцию заряда из массива внешних детекторов (например, фотодиодов), так и «непрямую инжекцию». В последнем случае сигнал, снимаемый с фоточувствительного элемента (например, с фоторезистора), управляет величиной заряда, который вводится в зарядовые пакеты кремние- вого ПЗС. Обе описанные конструкции гибридных приемников ИКизображения требуют охлаждения до температур, оптимальных для работы используемых фоточувствительных элементов. Охлаждения при-

емника не требуется, если в качестве датчика использовать кристалл пироэлектрика. Нагрев пироэлектрика (например, триглицинсульфа-

та) в результате поглощения ИК-излучения приводит к изменению величины спонтанной поляризации этого кристалла и возникновению напряжения на его гранях (порядка 200 мВ/град). Это напряжение можно использовать для управления величиной инжектируемого в ПЗС заряда. Недостатком пироэлектрических детекторов является их высокая инерционность и низкая чувствительность.

Аналоговые и цифровые функциональные устройства на

ПЗС• Возможность перемещения зарядовых пакетов с помощью системы управляющих электродов позволяет создавать на основе ПЗС многофункциональные устройства обработки аналоговой информации [213]. Создавая определенную конфигурацию электродов, можно объединять и делить зарядовые пакеты (см.

*) Цифровой фильтр — это электронное устройство, производящее взвешенное суммирование исходного сигнала с несколькими задержанными на различное время копиями того же сигнала. Выбирая весовые коэффициенты к времена задержки, можно реализовать практически любую частотную характеристику цифрового фильтра.

328 Гл. 5. Приборы с зарядовой связью

используются в схемах восстановления цветовых сигналов

видеозаписи.

Возможность одновременно осуществлять оптический и элек-

инвертированный по отношению к сигналу, полученному при закрытом оптическом затворе, удается эффективно компенсировать дефекты изображения, в частности, «геометрический шум», возникающий из-за неоднородности темнового тока на различных участках фоточувствительной матрицы. Другим применением аналоговой обработки изображений, основанным на вычитании из текущего кадра предыдущего кадра изображения, является выделение движущихся объектов, которое используется в радиолокации и охранных системах.

В связи с быстрым развитием МОП-транзисторов и интегральных схем на их основе в настоящее время ПЗС более не используются для создания цифровых ИС. Однако в связи с неуклонным развитием электроники в сторону наноразмерных систем, в которых логическая информация скорее всего будет представляться единичными зарядами, описываемые ниже решения, найденные для ПЗС, возможно, обретут вторую жизнь.

применения [213]. Основным элементом запоминающего устройства на ПЗС (см. рис. 5.10) является регистр сдвига, для компенсации

потерь переноса в котором используется специальная схема регенерации. Создать схему регенерации довольно просто: для этого пла-

вающую диффузионную область выходного диода одной цепочки (OD на рис. 5.6) достаточно подключить к управляющему электроду IG входной цепи следующей цепочки ПЗС. Эта схема по сути является инвертором (схемой «НЕ»). Действительно, если на выходе первой цепочки появляется заполненный электронами пакет (отвечающий состоянию логической 1), то потенциал электрода IG понижается и носители перестают инжектироваться во вторую цепочку, а если на выходе первой цепочки появляется пустой пакет (логический 0), то происходит инжекция во вторую цепочку. Правильно подобрав потенциалы на электродах, можно сделать схему инвертора нечувствительной к небольшой «деградации» величин зарядов, отвечающих логическому 0 и логической 1. Последовательное включение двух цепочек с двумя схемами регенерации по сути и представляет собой запоминающее устройство с последовательным доступом, которое является электронным аналогом магнитного диска.

пзс

хранен. ТТзс

R

ПЗС

• • •

R

ПЗС

ПЗС

выходная

информация

мультиплексор

адрес

Рис. 5.10. Серпантинная (а) и петлевая (б) организация запоминающих устройств на ПЗС. R — схема регенерации сигнала [212]

Существуют два варианта организации запоминающих устройств на ПЗС (см. рис. 5,10). При серпантинной организации для доступа к необходимой информации приходится считывать все расположенные ранее данные (последовательный доступ к данным), но при этом схе- ма управления устройством очень проста. При петлевой организации время доступа к данным существенно быстрее (память организована в виде параллельных «дорожек»), но при этом схема управления становится сложнее. Недостатком описываемых запоминающих устройств является их достаточно высокое энергопотребление, которое связано

с необходимостью постоянного перемещения зарядов в цепочках ПЗС. На основе приборов с зарядовой связью можно строить различные логические элементы, такие как схемы «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ», которые необходимы для создания периферийных схем запоминающих

ных состояний непрерывно. Глубокие уровни, присутствующие в обедненном слое, вызывают шум объемных ловушек. Этот тип шума также связан с процессами захвата и выброса электронов, но из-за дискретности энергетических уровней этот шум сильно зависит от температуры и частоты. Наконец, дополнительный шум в работе ПЗС создают флуктуации заряда при вводе и выводе информации. Шумы при вводе информации связаны с

шумами электрической инжекции (при электрическом вводе) или флуктуациями светового потока (при оптическом вводе).

Шумы при выводе информации в основном определяются тепловым шумом схемы считывания; при емкости узла считывания С их величина равна A Q 2 = к Т С . Полный шум современных ПЗС составляет 100-500 «шумовых» электронов/пакет, а в охлаждаемых устройствах, используемых в астрономии, — 2 - 6 электронов/пакет.