Принцип работы активно-пиксельного датчика

ВВЕДЕНИЕ

До недавнего времени во всех цифровых фотоаппаратах и видеокамерах в качестве светочувствительных элементов использовались приборы с зарядовой связью, так называемые, ПЗС -матрицы. Изготовление подобных матриц всегда было технологически сложным процессом с большим процентом отбраковки (тем большим, чем больше размер матрицы) и осуществлялось ограниченным числом производителей, причем, сравнительно небольшими партиями. Все это определяло и до сих пор определяет высокую стоимость матриц, нелинейно возрастающую при увеличении их размеров, и как следствие, - удорожание фотоаппаратов с высоким разрешением.

В настоящее время наряду с традиционными ПЗС используються активные пиксельные датчики CMOS APS (CMOS ‑ Complementary Metal Oxyde Semiconductor, APS ‑ Active Pixel Sensor), основанные на сенсорах, созданных на комплиментарных структурах металл-окисел-полупроводник (КМОП) [1-3]. Комплиментарная структура ‑ это чип, построенный по схеме, в которой p-канальные и n-канальные полевые транзисторы используются парами и взаимно дополняют друг друга.

Каждый пиксель активно-пиксельного сенсора изображения в отличие от ПЗС-матриц содержит не только фотодетекторный элемент (фотодиод или фотозатвор (photogate)), но также и активно-транзисторную схему («обвязку») для считывания сигнала с пикселя. Технология КМОП позволяет интегрировать всю систему формирования изображения, включая массив светочувствительных элементов и управляющие схемы, на одном кристалле кремния. Преимущества такой структуры были известны в теории с 60-х годов, но их не удавалось реализовать вплоть до 1993 года, когда впервые Лаборатория реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory) успешно внедрила активно-пиксельную технологию.

Датчики, основанные на активно-пиксельных матрицах, находят все более широкое применение в странах Западной Европы, Юго-Восточной Азии, США, в медицине, науке, камерах слежения, в космической промышленности, игрушках [4].

Рассмотрим, как работает активно-пиксельный датчик. Функциональная схема работы представлена на рис.1. Схема является довольно общей и служит для объяснения принципиальной работы активно-пиксельной камеры.

При открытом затворе фотоны собираются на сенсоре, то есть происходит накопление фотонов в каждом пикселе датчика - при помощи линзы, установленной на каждом пикселе, концентрируются в фоточувствительную область пикселя (структура различных типов чувствительных элементов пикселя представлена на рис.5). При этом происходит фильтрация цвета (подробнее см. ниже в разделе о светофильтрах), то есть в одном пикселе происходит накапливание красных фотонов, в другом - синих и в третьем – зеленых. Фотон, попадая на фотодетектор фотодиода, выбивает электроны, которые накапливаются в, так называемых, потенциальных ямах, накопленные электроны создают разность потенциалов. По синхронизующим сигналам с генератора импульсов происходит одновременное считывание накопленных зарядов - всех или из отдельных пикселей, указанных оператором. Полученный сигнал слишком мал для самостоятельного использования, поэтому он проходит через усилитель. После этого происходит обработка аналогового сигнала и преобразование аналогового сигнала в цифровой. Затем в цифровом процессоре сигналов или с помощью специального программного обеспечения происходит интерполяция и коррекция цветов, разумеется, если рассматриваемая нами камера не является монохромной. Затем полученные данные преобразуются в формат, с которым можно работать пользователю, и выводятся на экран монитора, либо записываются на электронно-магнитные носители.

Рис.1. Роль КМОП-датчика в цифровой камере

Рис.2. Архитектура КМОП датчика

Рис.3. Структура КМОП-сенсора (схема)

Структура активно-пиксельного датчика представлена на рис.2. Каждый из массива пикселей имеет выводы на сетку металлических проводников, что позволяет временным, считывающим и выходным сигналам проходить по всем ячейкам. Выводы данной сетки подсоединены к считывающим и декодирующим элементам, которые располагаются вне массива пикселей. Такая архитектура позволяет считывать данные со всего массива пикселей, с некоторых частей этого массива и с отдельных пикселей с использованием простой XY адресации, что невозможно в ПЗС-матрицах. Структура КМОП-сенсора и его увеличенная фотография представлены на рис.3 и рис.4.

Рис.4. Структура сенсора (увеличенная фотография).
Реальный размер одной ячейки приблизительно равен 15 мкм

Согласно принятой терминологии, активный пиксель – это пиксель, содержащий рассеивающий мощность элемент. В большинстве случаев в роли активного элементы выступает MOSFET в усилительной или буферной конфигурации. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ‑ это тип транзистора, основанный на структуре металл-оксидного полупроводника. Ток между эмиттером и коллектором протекает через инверсный слой, управляемый напряжением на базе. Наличие только одного транзистора типа MOSFET, играющего роль только переключателя, не делает пиксель “активным”.

В прежние времена MOSFETs изготавливался как “слоеный пирог” из алюминия (металл) и оксида кремния (оксид) на подложке из силикона (полупроводник). В настоящее время алюминий в большинстве случаев заменяется на поликристаллический кремний, но прежнее название сохранено. Другими словами, сейчас разрабатывают и работают с POSFET-транзисторами (P-polycristalic) и с датчиками изображения CPOS (Complementary Polycristalic Oxyde Semiconductor).

Рис.5. Структура чувствительного элемента фотодатчиков

Таким образом, активный пиксель есть единичный элемент твердотельной решетки, обладающий фотоэлектрической передаточной функцией при действии светового электромагнитного излучения. При этом у каждого пикселя появлялся свой считывающий транзисторный усилитель (readout amplifier transistor), что позволяет “преобразовывать” заряд в напряжение непосредственно на пикселе. Усиливающие же схемы могут быть расположены в любом месте чипа, а не только на светочувствительной области. Это позволяет создавать несколько каскадов усиления по всему сенсору. Так, например, в темных условиях усилители могут «вытягивать» изображение целиком, а в иных случаях могут усиливать лишь определенные цвета или области изображения.

Дата добавления: 2014-01-04