Конструкция и характеристики ФПЗС элементов

Характеристики ФПЗС можно разбить на три группы: фотоэлектрические, определяющие эффективность преобразования оптического изображения в электрические сигналы; конструктивные, представляющие качественные (тип канала переноса, способ считывания и др.) и количественные (размеры фотоячейки, фоточувствительной области и т. д.) сведения о ФПЗС; эксплуатационные, содержащие сведения о тактовых диаграммах, рабочих частотах, воздействии внешних факторов (температуры, механических, радиационных и др.), дополнительные указания, например способы пайки при монтаже в аппаратуре.

Основная группа характеристик — фотоэлектрических для ФПЗС видимого диапазона — достаточно полно описывается свет-сигнальной и частотно- контрастной характеристиками.

Свет-сигнальная характеристика, связывающая выходной сигнал с освещенностью в плоскости ФПЗС, показана на рис. 1. Привлекает внимание ее линейность в широких пределах изменения освещенности. Лучшие ФПЗС имеют динамический диапазон 5-10³. Выделяют три точки на свет-сигнальной характеристике, в которых измеряют параметры ФПЗС. В средней части удобно определять интегральную вольтовую чувствительность как отношение изменения светового сигнала к изменению освещенности (В/лк), энергетической освещенности (В/Вт·см^-2), световой экспозиции (B/лк с) "или энергетической экспозиции (В/ Дж-м^-2) в заданном спектральном диапазоне. По Рис. 2. Характеристики датчика изображения на основе ПЗС,

скольку свет-сигнальная характеристика линейна, можно измерять просто отношение светового сигнала к освещенности или экспозиции. Обычно Su выражают в В/лк (если ФПЗС работает в стандартном ТВ-режиме) или в В/лк-с. Значения интегральной чувствительности составляют 10^-2... 10^-3 В/лк-с и определяются следующими конструктивно-технологическими факторами: эффективностью ввода оптической информации и преобразования ее в зарядовую форму; отношением емкости узла считывания к емкости ячейки накопителя; конструкцией выходного устройства.

На рис. 2 представлены важнейшие характеристики типичного датчика изображения на ПЗС..Спектральная чувствительность (рис. 2, а) распространяется на диапазон длин волн от 400 нм до1000 нм, так что может быть зарегистрирован весь диапазон видимого света. Выходной видеосигнал зависит как от времени интегрирования {ti), так и от энергии падающего излучения (Е). Оба параметра непосредственно связаны (линейно) с выходным напряжением (рис. 2,б),Модуляционная характеристика (FTM) определяется выражением:

где U_so-темновое напряжение. Эта характеристика справедлива для определенной спектральной области и определенной фотограммы. Она включает в себя, кроме того, FTM принимаемого объекта

В разных участках ФПЗС выходной сигнал может изменяться, так как колеблются толщина электродов МОП-накопителя, концентрация примести в фотодиодных ячейках, размеры светочувствительных элементов. Для оценки воспроизводимости вводят параметр неравномерность выходного сигнала ΔU_e (абсолютную или относительную), т. е. геометрическую неоднородность, поэтому измерения проводят в нескольких точках.

Нижняя часть свет-сигнальной характеристики дает представление о работе ФПЗС в пороговой области, т. е. при предельно низких значениях освещенности (облученности или экспозиции). Если полностью затемнить ФПЗС, на выходе останется некоторый темновой сигнал, характеризуемый параметрами: напряжение темнового сигнала U_T и неравномерность напряжения темпового сигнала ΔU_T (абсолютная или относительная). Темновой сигнал образуется шумами ФПЗС — детерминированными и флуктуационными. Детерминированные шумы, в свою очередь, состоят из помех от тактового питания (как правило, от импульсов, подаваемых на затвор транзистора сброса) и геометрических темновых шумов. Геометрические темновые шумы представляют неоднородность распределения темнового тока. Процесс тепловой генерации, вызывающей темновой ток и связанной с поверхностными и объемными генерационно-рекомбинационными центрами. Причины появления таких центров различны, но в основном они сводятся к осаждению (преципитации) металлов в местах нарушения кристаллической решетки. Картина темнового сигнала, снятая с выхода ФПЗС, показывает, что темновой сигнал неравномерен. Темновые параметры характеризуют технологический уровень изготовления ФПЗС и температуру, при которой находится прибор. При переходе от темнового режима к низким уровням освещенности геометрическая неоднородность сигнала чаще всего возрастает, так как под действием света включаются новые центры генерации — рекомбинации и начинают активнее проявляться имевшиеся.

К геометрической неоднородности следует отнести часть свет-сигнальной характеристики, наиболее сильно проявляющуюся при низких уровнях освещенности. Возможны четыре типа локальной люминесценции: вызванная тактированием выходного регистра; связанная с предпробойным состоянием р-п-переходов в устройстве входа-выхода; возникающая при проколе МОП транзисторов в выходных устройствах; светящиеся пятна. Первый тип люминесценции наблюдается в матричных ФПЗС в режимах малой освещенности и большого времени накопления. Выходной регистр во время периода накопления работает, и тактирование его фазовых электронов может вызвать появление длинноволновых фотонов, поглощаемых в ближайших к выходному регистру элементах вертикальных сдвиговых регистров. Свечение быстро спадает по мере удаления от выходного регистра (10—20 элементов) и зависит от смещения на фазах, частоты и фронтов тактовых импульсов выходного регистра, а также от температуры. Генерация фотонов р-n-переходом в состоянии, близком к пробою, давно известна. Наблюдение ее в ФПЗС показало, что излучение происходит в ближнем ИК-Диапазоне, к которому кремниевые ФПЗС достаточно чувствительны. На ТВ-изображении, снимаемом с защищенного от света ФПЗС, можно наблюдать светящуюся область, распространяющуюся от выходного устройства, на которое подали слишком высокое напряжение. Аналогичная ситуация возникает при проколе канала выходного МОП-транзистора. Когда напряжение на стоке становится намного выше напряжения на затворе, создаются условия для лавинного процесса генерации пар электрон — дырка и эмиссии фотонов в ближней ИК-области. Наиболее серьезной проблемой является подавление светящихся пятен. Причиной их возникновения служат локальные утечки между фазами и между фазой и подложкой. Поскольку площадь матричных ФПЗС велика, вероятность появления пятен значительна. Отличить светящиеся пятна от белых точек на изображении, вызываемых избыточным темновым током, можно, охлаждая ФПЗС. Методом борьбы со светящимися пятнами является снижение фазовых напряжений, а также регулировка (уменьшение) смещения подложки в период накопления.

Флуктуационные шумы ФПЗС представлены двумя основными составляющими — шумом переноса и шумом выходного устройства. Шум переноса вызывается неэффективностью переноса и прямо пропорционален ей. При высокой эффективности современных ФПЗС со скрытым каналом этот шум не играет существенной роли. Основной проблемой остается шум выходного устройства. Он пропорционален корню квадратному из емкости узла считывания и принципиально неустраним. Путь к его снижению лежит в оптимальном конструировании выходных устройств. Флуктуационные шумы характеризуют напряжением временной компоненты шума Uш-вр, которое есть среднеквадрэтическое значение временной флуктуации сигнала на фиксированном сопротивлении нагрузки в заданной полосе частот и в отсутствие излучения. Измерение напряжения временной компоненты шум позволяет ввести отношение сигнал-шум и определить параметры, характеризующие пороговый режим работы ФПЗС: пороговую энергетическую освещенность Е_П, пороговый поток Ф_П и пороговую экспозицию Н_п. Значение пороговой энергетической освещенности фоточувствительной поверхности соответствует напряжению сигнала, равному напряжению временной компоненты шума. Аналогично определяется и пороговый поток. Пороговая экспозиция представляет произведение пороговой освещенности на время накопления. Шумы и пороговые параметры измеряют на одном элементе ФПЗС, делая серию выборок во времени (чем больше, тем точнее будет определен измеряемый параметр).

Верхняя часть свет-сигнальной характеристики отражает два параметра: максимальный выходной сигнал, характеризуемый напряжением насыщения выходного сигнала U_иас и соответствующий заполнению потенциальных ям, и реакцию ФПЗС на локальные пересветки, т. е. переполнение потенциальных ям в участках повышенной освещенности. Равномерная пересветка ФПЗС, вызывающая переполнение всех потенциальных ям в фоточувствительной области, не столь страшна. Ее подавляют с помощью нейтральных оптических фильтров или изменением времени накопления. Локальные пересветки подавить намного труднее, и борьба с ними в настоящее время становится одной из важнейших проблем. При локальных пересветках наблюдаются расплывающиеся пятна и полосы, вытянутые по направлению переноса зарядовых пакетов. Явление расплывания получило название блуминга. Оценку блуминга проводят различными способами, например; измеряя ширину расплывшегося изображения и относя ее к ширине проецируемой полосы или определяя отношение избыточной локальной освещенности к освещенности, вызывающей наполнение потенциальной ямы.

Для устранения блуминга необходимо тем или иным способом предотвратить распространение избыточных носителей от участка локальной пересветки. Возможны два пути: схемотехнический и конструктивный.

Схемотехнический способ осуществления антиблуминга сводится к интенсивной рекомбинации избыточных носителей на поверхностных состояниях. Способ применяется в матричных ФПЗС с кадровым переносом, при этом конструкция ФПЗС остается неизменной (или подвергается небольшим изменениям), достаточно лишь изменить тактовые последовательности управляющих импульсов. Часть электродов в ячейках секции накопления переключается во время обратного хода по строке с обедняющего смещения на инвертирующее. Основные носители из близлежащих стоп-канальных областей выходят на поверхность под этими электродами. При последующем переключении на обедняющее смещение избыточные носители заполняют поверхностные ловушки, рекомбинируя на них. Переключение происходит несколько раз за время обратного хода по строке. В каждом элементе, где заряд превышает величину максимально хранимого, поверхностные состояния поочередно заполняются то электронами, то дырками. Это приводит к повышенной рекомбинации избыточного заряда на поверхностных ловушках.

В качестве примера приведем» матричный ФПЗС с кадровым переносом, со скрытым каналом n-типа и плотностью поверхностных состояний примерно 10¹⁰ см^-2 . При пятикратном переключении можно заставить прорекомбинировать 1,5-10¹³ электрон-см^-2 (при данном темпе рекомбинации за суммарное время). Плотность максимального заряда в данной матрице соответствует 5-10¹¹ электрон-cm^-2, т. е. допустимы 30-кратные пересветки. При больших пересветках начнется расплывание, но оно будет ограниченным, так как в соседних ячейках по мере переполнения также начнется ускоренная рекомбинация.

Конструктивное решение состоит во введении в структуру ФПЗС антиблуминговых стоков, по которым избыточные носители выносятся на периферию. Этот способ гораздо эффективнее рекомбинационного, однако он требует усложнения конструкции и технологии ФПЗС и в случае, когда антиблуминговые стоки расположены на поверхности ФПЗС (горизонтальные стоки), приводит к потере полезной площади.

Простейшим способом антиблуминг осуществляется в линейных ФПЗС с одним регистром считывания.

Большинство современных линейных ФПЗС выполняются двухрегистровыми. Поэтому в линейных ФПЗС встраивают не горизонтальные, а вертикальные антиблуминговые устройства. В матричных ФПЗС горизонтальные стоки применены по-прежнему, здесь они конкурируют с вертикальными.

Вертикальный сток был впервые введен в линейный ФПЗС в виде скрытого р-п-перехода, расположенного на глубине около 10 мкм от поверхности. Антиблуминг такой конструкции обеспечил степень пересветки 230: 1. Дальнейшее развитие идеи вертикальных стоков привело к двум решениям: использованию р-карманов (ПК) и эпитаксиальных структур с р-n-переходами пленка — подложка. На рис. 3.а приведено поперечное сечение ячейки матрицы с р-карманами. Отдельный передающий электрод отсутствует, его роль выполняет та часть электрода сдвигового регистра, которая, выступая за край скрытого канала, накрывает передающую область. Пороговое напряжение в этой области задается путем проведения дополнительного про

цесса ионной имплантации. Фотодиод находится в слаболегированном р-кармане 1ПК, остальная часть ячейки — в более сильнолегированном и глубоком р-кармане 2ПК- Концентрация примеси в кармане 1ПК выбрана такой, что он полностью обедняется при приложении небольшого обратного смещения к n-подложке относительно заземленного р-кармана. Карман 2ПК легирован таким образом, чтобы обеспечить эффективную работу ПЗС-регистра со скрытым каналом. В обычном режиме работы карман 2ПK не обеднен. Элемент четырехфазного ПЗС-регистра состоит из четырех фазовых электродов. Электроды Ф1 и Ф2, выполняющие одновременно роль передающих, контролируют передачу заряда из фотодиода в регистр. Они управляются трехуровневым напряжением — высоким, средним и низким, с уровнями U_{B У}., U _{c у}.y, U_{Н У}. Электроды фаз регистра ФЗ и Ф4 управляются напряжением с двумя уровнями U_{B У} и U_{Н У}. Уровень U_{В У} устанавливается таким, чтобы слить накопленный заряд из фотодиода через передающую область затвора. Разница между U _{в у}. и, U_{Н У} выбирается так, чтобы обеспечить нормальную работу вертикального регистра и достаточную зарядовую емкость, сохраняя закрытой передающую область.

На рис. 3,б показаны также профили потенциала под фотодиодом в отсутствие переполнения для двух предельных значений уровня сигнала. На рисунке n-подложка обратно смещена на U_n относительно заземленного кармана 2ПК, карман 1ПК при этом полностью обеднен.

Когда фотогенерированный сигнальный заряд считывается в вертикальный регистр, в n -области фотодиода устанавливается потенциал φ_пс, равный потенциалу в канале под передающим электродом при уровне напряжения на нем U_B._y. В этот момент профиль потенциала изображается нижней кривой («пустой»). Затем по мере накопления сигнального заряда потенциал фотодиода уменьшается. При достаточно сильном освещении распределение потенциала станет соответствовать кривой, обозначенной «полный». По достижении этого момента профиль потенциала перестанет меняться, так как все избыточные носители будут теперь сливаться через барьер в подложку. Значение ф_п выбирают таким, что ф₆ (соответствующий минимальному потенциалу в 1ПК на кривой, обозначенной «полный») больше, чем потенциал в канале под передающим затвором при уровне напряжения U_B._y на передающем электроде. Тогда весь избыточный заряд будет стекать в подложку до того, как он начнет переливаться в вертикальный регистр. Это означает, что блуминг полностью подавляется.

Проведенные в расчеты показали, что значение напряжения U„, необходимое для подавления блуминга, чрезвычайно чувствительно к концентрации примеси в кармане 1ПК-

Эпитаксиальный антиблуминг отличается от антиблуминга с р-карманом только технологически. Использование эпитаксиальных структур удобно тем, что толщина эпитаксиального слоя и концентрация примеси точно контролируются. Однако эпитаксиальные структуры стоят довольно дорого и не всегда характеризуются высоким качеством. Этим, скорее всего, и объясняется предпочтение, отдаваемое способу создания р-кармана. Вертикальные стоки не только подавляют блуминг, но и уменьшают влияние носителей генерируемых в объеме длинноволновыми фотонами, снижают темновые токи.

На блуминг внешне похож смаз изображения, оно расплывается вниз по вертикали, как если бы потенциальные ямы слегка переполнялись. Происхождение смаза, однако, иное, нежели блуминга. В матричных ФПЗС с кадровым переносом смаз возникает из-за паразитной засветки при переносе зарядовых пакетов из фоточувствительной секции в секцию памяти. Хотя время накопления при переносе мало, при больших освещенностях возможно добавление носителей последующего кадра к носителям предыдущего и в результате смаз изображения. Для подавления этого эффекта повышают частоту переноса. При частоте переноса 4 МГц, достигнутой в лучших матрицах, явление смаза подавляется. В матричных ФПЗС со строчно-кадровым переносом смаз вызывается попаданием в защищенные от света вертикальные сдвиговые регистры носителей, генерируемых в объеме длинноволновыми фотонами. В отличие от матриц с кадровым переносом в этих матрицах смаз проявляется при малых освещенностях. Методы подавления смаза в матрицах со строчно-кадровым пере­носом аналогичны применяемым для борьбы с блумингом — использование вертикальных стоков и эпитаксиальных структур.

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) (Рис 4)ФПЗС, определяет разрешающую способность прибора. Она описывает ответ ФПЗС на оптический сигнал в форме меандра с определенной пространственной частотой. Для того чтобы снять ЧКХ, на ФПЗС проецируют штриховую миру, шаг которой задает пространственную частоту работы ФПЗС. При этом удобно пользоваться отношением данной пространственной частоты f к максимальной f max, т. е. той, при которой шаг миры равен шагу светочувствительных элементов ФПЗС. В идеальном ФПЗС при проекции штриховой миры на выходе должны появляться сигналы прямоугольной формы; реально форма сигналов сглаживается, и на высоких пространственных частотах выходной сигнал напоминает синусоиду. Отношение размаха выходного сигнала при передаче штриховой миры заданной пространственной частоты или электрически введенного сигнала заданной частоты к размаху сигнала от крупной детали изображения или электрически введенного сигнала (заполняющего не менее пяти потенциальных ям) определяет коэффициент передачи модуляции Км. Практически для того чтобы характеризовать ФПЗС, достаточно измерить коэффициент передачи модуляции на какой-либо фиксированной частоте, чаще всего на половине максимальной пространственной частоты. Последнее связано с тем, что, согласно теореме Найквиста, приемник передает без искажений пространственные частоты, не превышающие половины максимальной. При проецировании более высоких пространственных частот проявляется эффект Муара в виде ложных изображений.

Вид ЧКХ любого ФПЗС определяется тремя факторами: геометрией активной части прибора, т. е. размерами и шагом фоточувствительных элементов (ЧКХ-интегрирования, выражаемая коэффициентом передачи модуляции Km1); эффективностью переноса носителей (ЧКХ-переноса, выражаемая коэффициентом передачи модуляции Км2); диффузией носителей, генерируемых длинноволновыми фотонами (ЧКХ-диффузии, выражаемая коэффициентом передачи модуляции Км3).

Для прямоугольных фоточувствительных элементов размером l расположенных с шагом р, зависимость Км1 от пространственной частоты f описывается выражением

где fmax= 1 /2p. Если элементы расположены вплотную (1=р), то К_м = 0 при f=2f_max; на пространственной частоте, равной максимальной, К_м1 = 64%. Такая ЧКХ свойственна, например, ФПЗС с кадровым переносом. Следует помнить, что ЧКХ будет различной по вертикали и горизонтали. Если же шаг элементов отличается от их размера (как в матрицах со строчно-кадровым переносом, где по горизонтали светочувствительные столбцы чередуются со сдвиговыми регистрами), вид ЧКХ изменится. Здесь коэффициент передачи модуляции на максимальной частоте составит примерно 85%. Надо сказать, что выражение для Km1 не отражает фазовой составляющей ЧКХ и относится к наилучшему случаю, когда полосы миры и элементы ФПЗС совпадают по фазе. В реальных условиях следует учитывать фазовую компоненту ЧКХ, уменьшающую разрешающую способность.

Спад ЧКХ в зависимости от числа переносов п и неэффективности одного переноса е определяется выражением Км2= ехр{—пε [1—cos(nf/fmax)]}. При измерениях коэффициента передачи модуляции на половине максимальной пространственной частоты это выражение упрощается: Км2= ехр(—пε)

Чтобы оценить роль неэффективности переноса, примем, что в матричном ФПЗС с поверхностным каналом неэффективность одного переноса равна 2... 5-10^-4, число элементов составляет 500Х 500. Тогда общая потеря переноса пε =0,2... 0,5 и соответствующие значения коэффициента передачи модуляции на половине максимальной пространственной частоты не превысят 50... 70%. Горизонтальная ЧКХ переноса определяется числом переносов в горизонтальном выходном регистре, вертикальная ЧКХ будет хуже горизонтальной, так как к переносам в выходном регистре добавляются переносы в вертикальных столбцах. Из этого примера становится ясным, почему ФПЗС, отвечающие высоким требованиям к разрешающей способности, должны выполняться со скрытым каналом.

В современных ФПЗС с большим числом элементов и высокой эффективностью переноса диффузия носителей, генерируемых длинноволновыми фотонами, становится серьезным фактором, ограничивающим разрешающую способность. Длинноволновые фотоны (0,66... 1,1 мкм) проникают глубоко в объем полупроводника, так как слабо поглощаются кремнием. Генерированные носители диффундируют во всех направлениях. Большая часть их попадает в соответствующую фотоячейку, но значительное.количество и в соседние фотоячейки. Возникают перекрестные помехи, разрешающая способность падает. Спад ЧКХ-диффузии тем больше и коэффициент модуляции Кмз тем ниже, чем ближе расположены фотоячейки, чем больше глубина проникновения фотонов и чем выше диффузионная длина носителей. Введение в конструкцию ФПЗС обратносмещенного р-n перехода (р-карман, эпитаксиальная структура) позволяет значительно уменьшить спад ЧКХ-диффузии, так как поле р-n-перехода вытягивает в подложку генерированные в глубине носители. На (Рис. 4). приведена частотно-контрастная характеристика К1200ЦЛ2

Помимо свет-сигнальной характеристики и ЧКХ в основную группу включают спектральную характеристику, точнее, область спектральной чувствительности (речь идет о видимом диапазоне), определяемую как диапазон длин волн, в котором относительная спектральная чувствительность составляет не менее 0,1 своего максимального значения. У ФПЗС с поликремниевыми электродами МОП накопительных фотоячеек максимум спектральной чувствительности лежит вблизи 800...900 нм.

К фотоэлектрическим параметрам относятся также дефекты, наблюдаемые на ТВ-изображении или осциллографической картине. Наблюдаемые дефекты образуются в результате того, что сигнал с одной или нескольких примыкающих фотоячёек отличается от среднего значения выходного сигнала (подсчитываемого по всему фоточувствительному полю или его части). Обычно задают предельно допустимую величину отличия и тем самым фиксируют дефектную фотоячейку или группу ячеек. Основные типы дефектов — это светлые и темные столбы, светлые и темные пятна, размеры которых зависят от числа фотоячеек, образующих дефект (например, светлый столб длиною не более десяти фотоячеек). Число дефектов определяют на всем поле или на его части.

К количественным конструктивным характеристикам относятся: число элементов N для линеек; N_cт, N_стp для матриц, где N_cт, N_стp относятся к столбцу и строке соответственно; размер фотоячейки aXb и фоточувствительной области HxL. Для матриц, работающих в телевизионном стандарте, соотношение сторон фоточувствительной области нормировано (например, 5:4). Помимо перечисленных параметров, необходимо указывать толщину и материал оптического окна и расстояние от окна до поверхности кристалла ФПЗС.

К эксплуатационным характеристикам относят в первую очередь сведения об управлении ФПЗС: тактовую диаграмму, частоту вывода сигнала, уровни импульсных и постоянных смещений, сопротивление нагрузки. В справочных данных дополнительно приводятся емкости фазовых электродов ФПЗС, без знания которых трудно рассчитать схему управления.

Верхняя граница рабочих частот ФПЗС определяется каналом переноса и выходным устройством. У ФПЗС со скрытым каналом рабочие частоты достигают 20...40 МГц (до 140 МГц у перистальтического канала); ФПЗС с поверхностным каналом ограничены частотами 3...7 МГц. Во многих случаях рабочую частоту начинают ограничивать МОП-транзисторы выходного устройства. Преодолеть это можно переходом от однокаскадного истокового выходного повторителя к двух-трехкаскадному, позволяющему оптимально согласовать емкость нагрузки с емкостью узла считывания. Нижняя частота ФПЗС лежит вблизи 1 кГц и определяется процессом генерации— рекомбинации носителей при рабочей температуре: при увеличении времени нахождения зарядового пакета в потенциальной яме растет доля паразитного темнового заряда, и полезная информация теряется.

В отношении механических и климатических воздействий ФПЗС мало отличаются от других типов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Исключение могут составлять гибридные ФПЗС. Воздействие же температуры и радиации на ФПЗС выражено гораздо сильнее, поскольку приходится оперировать с исключительно малыми количествами зарядов, не встречающимися в любых других приборах. Для компенсации влияния повышенных температур (обычно значение предельной рабочей температуры для кремниевых ФПЗС видимого диапазона не превышает 60°С) применяют охлаждение с помощью термоэлектрических микрохолодильников.

Пороговая освещенность 0,25 лк при времени накопления 4 мс соответствует примерно 8 -10³ фотонов. Это значение подтверждается экспериментальными данными: (6,5... 7,5) • 10³ фотонов на длине волны 0,55 мкм. Снятая в широком диапазоне освещенности свет-сигнальная характеристика К1200ЦЛ1 (рис. 6), определена чувствительность для длины волны 0,55 мкм, равная приблизительно 0,7 мкВ/фотон. Показано также, что при охлаждении до температуры кипения азота порог обнаружения снижается до 20 фотонов на ячейку, т. е. К1200ЦЛ1 может использоваться для регистрации отдельных фотонов. На рис. 7 приведена характеристика спектрального распределения чувствительности (толщина поликремниевого МОП-электрода 0,5... 0,6 мкм), в равной мере относящаяся ко всем ФПЗС с МОП-накопителями при толщине поликремниевого электрода около 0,5 мкм (К1200ЦМ1, К1200ЦМ7, К1200ЦМ8 и др.). На длине волны 0,45 мкм чувствительность составляет 10... 15% от максимальной, соответствующей 0,8... 0,85 мкм.

Линейный ФПЗС типа К1200ЦЛ4. Он является специализированным спектрозональным прибором, предназначенным для многозональных телевизионных систем. В ФПЗС кристалл, содержащий четыре структуры, аналогичные К1200ЦЛ2, объединен с набором интерференционных фильтров, размещенных на внутренней стороне оптической крышки. ФПЗС работает в четырех спектральных диапазонах: 0,5... 0,6 мкм; 0,6... 0,7 мкм; 0,5... 0,9 мкм; 0,8... 0,9 мкм. На рис. 8 приведены (штриховой линией показана характеристика базовой структуры без фильтров).

Рис 8 Характеристики относительной спектральной чувствительности К1200ЦЛ4

Для ПЗС структур в системах ДЗЗ существенно сказывается влияние радиации на параметры и характеристики. Увеличение положительного заряда в диэлектрике, вызываемое ионизацией с последующим разделением электронно-дырочных пар полем. Электроны уходят из диэлектрика, дырки остаются на глубоких ловушках. Положительный заряд в диэлектрике вызывает изменение порогового напряжения, которое зависит от следующих факторов:

- материала электрода, для поликремниевых электродов оно гораздо больше, чем для алюминиевых;

- толщины и технологии формирования диэлектрика. Например, тонкий оксид, выращенный в сухом кислороде, оказывается более стойким, нежели оксид с большей толщиною, выращенный во влажной атмосфере;

- величины и полярности управляющих смещений. Положительные смещения на электроде дают более резкие изменения, нежели отрицательные;

- типа и полярности канала (более радиационно стойкими оказываются ФПЗС с объемным, а не поверхностным каналом.

Изготовленные по стандартной технологии ПЗС выдерживают радиацию с дозами не более 10³-10⁴ рад. Для увеличения радиационной стойкости применяется специальная технология.

Нестационарные ионизационные эффекты менее опасны, чем рассмотренные, но при импульсных радиационных воздействиях могут приводить к стиранию информации. В типичном ФПЗС для заполнения потенциальной ямы носителями, генерированными в полупроводнике в результате ионизации, достаточно дозы менее 1 рад, причем ФПЗС с объемным каналом проигрывают ФПЗС с поверхностным каналом, обладающим большей зарядовой емкостью. Ионизацию вызывают главным образом гамма-излучение и облучение электронами. Мягкое гамма-излучение проникает неглубоко, и связанные с ним эффекты ограничиваются диэлектриком и границей раздела диэлектрик — полупроводник.

Объемные радиационные нарушения при облучении быстрыми нейтронами или протонами приводят к ухудшению эффективности переноса в ФПЗС с объемным каналом и увеличению темнового тока в ФПЗС с поверхностным и объемным каналами. Эффективность переноса линейно ухудшается с увеличением интегральной дозы нейтронов в диапазоне Ю¹¹... 10¹³ см^-2 (средняя энергия нейтронов 15 МэВ). Доза 10¹³ см^-2 является предельной, так как эффективность снижается (до 0,992. С поверхностным каналом ФПЗС более стойки к нейтронному облучению, нежели ФПЗС с объемным. Для повышения стойкости ФПЗС с объемным каналом предложено повышать степень легирования подложки и использовать кремний с повышенной концентрацией кислорода

. Cхемы обработки информации с ПЗС

На рис 9 приведены измерительные блок схемы обработки информационного сигнала с ПЗС

Рис. 10. Блок-схема датчика изображения на основе ПЗС.

В случае линейного (однокоординатного) датчика изображения несколько сотен фотоэлементов располагаются последовательно. Так, датчик изображения на ПЗС типа ТН7803 (фирма Thomson CSF) состоит из 1728 элементов, расположенных в один ряд. Среднее расстояние между этими фотоэлементами размером 10X13 мкм составляет 10 мкм, в результате чего на строке ПЗС длиной 17,28 мм достигается оптическое разрешение 50 линий на 1 мм.

В качестве фотоэлементов применяются пассивированные фотодиоды рn типа. Каждому фотодиоду соответствует отдельный МОП-конденсатор как элемент памяти.. Такая структура обеспечивает высокую чувствительность датчика, поскольку падающий свет не поглощается частично электродами, как это имеет место в случае структур из МОП-фотоконденсаторов.

На обоих концах строки датчика экранировано по 4 фотоэлемента, которые постоянно выдают эталонный сигнал, соответствующий темновому напряжению.

Строка датчика отделена от обоих сдвиговых регистров соответствующими затворами, при открытии которых накопленный заряд в параллельном режиме может быть перенесен в сдвиговый регистр.

На каждой стороне строки датчика расположен сдвиговый регистр, который принимает заряды из четных или нечетных фотоэлементов и сдвигает их к выходу. Для изоляции этих двух регистров относительно внешнего поля и для подавления возникающих из-за него помех — темнового тока и шумов — параллельно к ним подключено еще по одному регистру.

Выходы обоих сдвиговых регистров подключены к диоду, который в мультиплексном режиме воспринимает заряды из обоих регистров и преобразует их в соответствующее напряжение. Перед подачей каждого нового пакета зарядов на диод с МОП-транзистора подается соответствующее опорное напряжение, предотвращающее наложение различных пакетов зарядов.

Получающиеся на диоде импульсы напряжения подаются на усилитель со схемой дискретизации и запоминания отсчетов. С выхода усилителя может быть снят видеосигнал отражающий распределение силы света по анализируемой строке.

Внутренние логические схемы управления генерируют тактовые импульсы Ф_R сброса на нуль и импульсы сканирования Ф_ech. Благодаря этому можно управлять датчиком изображения только двумя внешними тактовыми импульсами, а именно импульсами передачи Фр и Ф_T.

Тактовые импульсы и напряжения

Ф_1P,Ф_2P,Ф_3P, Ф_4P.-тактовые импульсы зоны изображения

Ф_1М, Ф_2М,Ф_3М,Ф_4М – тактовые импульсы зоны памяти-

Ф_1L Ф_2L Ф_3L Ф_{4L -}тактовые импульсы регистравыборки

Ф_R -импульс сброса

V_DD -напряжение стока выходного каскада

U _DR - напряжение стока транзистора сброса

U ss - напряжение подложки

U_е - напряжение регулировки изображения

U_GS Напряжение смещения выходного вентиля регистра

выборки

Рис.11. Устройство ПЗС-матрицы S -выход видеосигнала

Т - точка подключения измерительного прибора

Темновое напряжение Uso ограничивает разрешающую способность датчика изображения на ПЗС. Охлаждением датчика до ≈10°С предельное разрешение для некоторых применений можно значительно улучшить (рис. 10,в).

Выпускаются ФПЗС типа в металлокерамическом корпусе с выводами, расположенными в два ряда перпендикулярно основанию корпуса. В крышку впаяно оптическое окно из сапфира. Между окном и кристаллом размещена пластмассовая бленда, защищающая от света периферийные области. Габаритные размеры прибора 20x11X3,9 мм; размер фоточувствительной ячейки 15X15 мкм; шаг 15 мкм Значения емкостей электродов: фазового 300, разрешающего 200, фотозатвора 50 пф. Основные параметры, например,ФПЗСК1200ЦЛ1 приведены в табл 1:

табл 1

Напряжение насыщения выходного сигнала, В.	Не менее	0,4
Интегральная чувствительность при времени накопления 4 мс, В/лк ...		Не менее	2,4-10^-'
Неравномерность чувствительности,	%	Не более
Коэффициент передачи модуляции на	512 ТВ-линиях,	Не менее
Неравномерность темнового сигнала насыщения)	(% от сигнала	Не более
Пороговая освещенность,.	лк	Не более	0,25

Рис. 12. Конструктивное исполнение однокоординатного датчика изображения на основе ПЗС.

Рис. 13. Конструктивное исполнение двухкоординатного датчика изображения на основе ПЗС.

На рис. 12 показан однокоординатный датчик изображения на ПЗС. Аналогичный датчик на рис. 13 предназначен для двухкоординатных измерений и имеет плоскость изображения матричного типа. Конструкция ПЗС-матрицы включает из 576X384 точек изображения, рис. 13.Она разработана для производства изображения по телевизионному стандарту МККР (625 строк, 50 Гц). При помощи синхронизирующего сигнала полный телевизионный сигнал можно наблюдать на телемониторе, Тем самым создается возможность выполнения задач по автоматизации, как, например, распознавание контура, а также определение геометрических размеров.

Устройство отдельного элемента изображения показано на рис. 14. Размеры одной точки изображения составляют 23 X 23 мкм, тогда как весь размер изображения равен 6623X8832 мкм.

Рис 14 Устройство элемента изображения.

При формировании выходного видеосигнала сигнал изображения переносится построчно из зоны изображения в зону памяти. После этого зона изображения готова для принятия следующего изображения. За это время сигнал из зоны памяти построчно переносится в регистр считывания и передается в выходной каскад для формирования видеосигнала. Датчики изображения на ПЗС находят множество применений в области оптических измерений.

1. Вопросы для самоконтроля:

2. 1 Область применения фоточувствительного прибора с переносом заряда в геодезии.

3. 2 Принцип работы фоточувствительного прибора с переносом заряда.

4. 3 Классификация ФПЗС.

5. 4 Понятие о одно- и двухкоординатных ФПЗС.

6. Назвать основные группы характеристик ФПЗС.

7. Светосигнальная характеристики. Типичные характеристики спектрального

8. распреде ления чувствительности ФПЗС с МОП-накопителями и фотодиодами

9. Причины локальной люминистенции и её влияние на изображение.

10. Флуктуационные шумы ФПЗС и их характеристики.

11. Понятие о явлении блюминга ФПЗС,

12. Устройство антиблюминга в ФПЗС

13. Частотно-контрастная характеристика.

14. Факторы ограничивающие разрешающую способность ФПЗС

15. Спектральная чувствительности ФПЗС

16. Влияние радиации на параметры и характеристики ФПЗС

17. Измерительные блок схемы обработки информационного сигнала с ПЗС.

18. Конструктивное исполнение ФПЗС

Дата добавления: 2015-06-26