Физические принципы работы приборов с зарядовой связью

Раздел 1.Общая  часть

1.1 Физические принципы работы приборов с зарядовой связью

Первые модели приборов с  переносом зарядов (ППЗ) появились  в конце 60-х годов прошлого столетия. Наиболее широкое применение они  получили в качестве интегральных преобразователей свет-сигнал. По принципу работы ППЗ  можно, разделить на две группы: ПЗС  и приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ). В первых реализуется принцип  самосканирования, т.е. направленного перемещения накопленных зарядов вдоль цепочки элементарных накопителей зарядов. Во вторых вместо последовательного переноса зарядов к выходу устройства используется единичный переноса заряда от каждого накопительного элемента и параллельное считывание информации в поле изображения, при которых наблюдается практически полное отсутствие потерь передачи. В используемых ПЗС такая возможность отсутствует. В матричных ПЗИ возможно использование в качестве фоточувствительиых элементов фотодиодов, которые имеют более высокую чувствительность; возможна организация произвольной выборки любого элемента или группы элементов. В матрице ПЗИ имеется система горизонтальных и вертикальных шин, причем на горизонтальные шины подаются импульсы частоты строк, а на вертикальные - частоты опроса фоточувствительных элементов. Все элементы матрицы состоят из двух МОП-конденсаторов, один из которых присоединен к горизонтальной шине, другой - к вертикальной. МОП-конденсаторы изолированы друг от друга специальной областью, надежно предохраняющей накопленные заряды от растекания. Однако ПЗИ отличаются от ПЗС существенно более сложной структурой системы вывода видеосигнала и связанной с этим на несколько порядков большей выходной емкостью прибора. По этим причинам ПЗИ не получили широкого практического применения.

Основой ПЗС является конденсатор  со структурой металл-оксид- полупроводник (МОП-конденсатор). Именно МОП-конденсатор является элементом, способным хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием света или путем инжекции через р-n переход. Цепочка из МОП-конденсаторов, связанных особым образом друг с другом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под воздействием управляющих напряжений от одного элемента структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются в потенциал или ток.

К достоинствам ПЗС-структур следует отнести:

• возможность непосредственного преобразования светового потока в зарядовые пакеты и способность хранить зарядовую информацию;

• способность направленной передачи зарядовой информации и преобразования ее в видеосигнал при достаточно точном построении геометрии точечного растра (координаты элементов фиксируются с точностью до 0,5 мкм);

• высокое быстродействие;

-   возможность реализации  обработки информации непосредственно  на матрице;

• высокую степень интеграции, малые потребляемую мощность и габаритные размеры;

• высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям и электро-магнитным воздействиям, надежность и большой срок службы.

Преобразователи на ПЗС делятся  на линейные и двумерные (матрицы). Линейные ПЗС содержат ряд фоточувствительных элементов, т.е. передают одну строку изображения. Для передачи двумерной сцены используют перемещение передаваемого изображения поперек строки (например, в системах телекинопроекции кинопленку непрерывно перемешают Относительно ПЗС-линейки) или линейный преобразователь перемещают относительно передаваемого объекта (например, в системах съемки поверхности Земли сканирование по одной координате осуществляется за счет движения космического аппарата, несущего ПЗС-преобразователь). Матричный преобразователь является полным аналогом передающей телевизионной трубки.

Активной ячейкой, осуществляющей преобразование светового потока в электрический заряд, является МОП-конденсатор. На рисунке 1 показана такая ячейка, включающая в качестве основы подложку из р-кремния. Путем термического окисления на ее поверхности формируется слой оксида, на который наносится проводящий электрод.

Рисунок 1. Конструкция МОП-конденсатора

Если между электродом и подложкой приложить положительное напряжение Uэ, то под действием электрического поля под проводящим электродом будет образована зона, обедненная для основных носителей, в рассматриваемом случае для дырок-зона стоп диффузии (СД) (указана штриховыми линиями). Электрическая диаграмма МОП-структуры для этого случая приведена на рисунке 2, а, где Uп - поверхностный потенциал. В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей заряда (здесь - электронов). Эти заряды могут образовываться за счет фотоэмиссии. Энергетическая диаграмма по мере накопления неосновных носителей изменяется: значение Uп, уменьшается, как показано па рисунке 2,б. Таким образом, если рассматриваемый элемент освещен, то в полупроводнике около его поверхности образуются пары носителей заряда электрон-дырка. Электроны заполняют потенциальную яму, причем значение заряда, накопленного за дозированное время, оказывается пропорциональным освещенности.

Рисунок 2 - Энергетические диаграммы  МОП-структуры, соответствующие различным  ее состоянием

а) энергетическая диаграмма  МОП-структуры для случая, когда  под действием электрического поля под проводящим электродом образована зона, обедненная для основных носителей; б) энергетическая диаграмма в случае накопления неосновных носителей заряда; в) энергетическая диаграмма при распространении области потенциальной ямы вдоль границы раздела полупроводник-оксид

Распространение области потенциальной ямы вдоль границы раздела полупроводник-оксид ограничивается формированием областей полупроводника р+ типа со степенью легирования на несколько порядков выше, так называемых областей СД (см. рисунок 1). В областях СД поверхностный потенциал на границе раздела оксид-кремний близок к нулю. Характер накопления заряда в накопительной ячейке МОП-структуры иллюстрируется рисунком 3, где показано, как изменяется поверхностный потенциал Uп (в относительных единицах) по мере накопления заряда Q (в относительных единицах). 

Рисунок 3-Характеристики накопления ячейки МОП-структуры

На том же графике приведена  зависимость ширины Wd обедненного слоя от величины накопленного заряда. Характер зависимостей Uп и Wd от Q определяется физическими свойствами материала и конструктивной реализацией МОП-структуры, в частности, концентрацией легирующей примеси и толщиной слоя оксида.

Рассмотрим механизм накопления заряда в ячейке MOП-структуры с учетом динамического характера потенциала Uэ. Процесс образования потенциальной ямы начинается после подачи на металлический электрод MOII-структуры положительного потенциала достаточно большой амплитуды. Процесс накопления заряда в потенциальной яме происходит и в отсутствии освещения элемента (за счет тепловой генерации неосновных носителей). В зависимости от температуры и свойств материалов МОП-структуры максимальный заряд ячейки под действием тепловых процессов может образовываться за время от сотых долей до единиц секунд и выше. Если ограничить значение заряда, возникающего под действием тепловой генерации (так называемый уровень логического 0), то можно определить максимальное время накопления и хранения заряда в ячейке, т.е. найти нижний предел рабочих частот накопительной ячейки. В реальных приборах при комнатной температуре обычно его устанавливают от единиц до десятков килогерц.

Следует обратить внимание на то, что чувствительность преобразователей на ПЗС снижается за счет поглощения света в электродах (при освещении с рабочей стороны). Для ослабления этого эффекта стремятся к увеличению прозрачности электродов, как правило, за счет уменьшения их толщины (до десятков нанометров). Другим способом является вытравливание в электродах окон так, чтобы светочувствительные области были открыты для воздействующего света. В последнем случае применяют известные из оптики способы просветления за счет нанесения тонких пленок. Вариантом уменьшения нерационального поглощения света является использование освещения со стороны кремниевой подложки. Этот способ технологически весьма сложен, что связано с необходимостью существенного уменьшения толщины подложки (примерно до 10 мкм). Все способы снижения неэффективного поглощения света приводят к повышению чувствительности в коротковолновой части спектра излучения.

Рассмотрим принципы формирования структур линейных и матричных ПЗС, а также механизм считывания накопленных зарядов. Па рисунке 4 показан фрагмент линейного ПЗС, выполненного на общей подложке. Расстояние, между электродами настолько мало, что обедненные области при подаче на электрод положительного потенциала простираются практически до соседних электродов. Эта особенность условно иллюстрируется рисунками 4- б-г, где штриховой линией показано значение поверхностного потенциала в соответствующем участке структуры для различных моментов времени. На рисунке 4, д показан характер изменения во времени потенциалов на электродах структуры.

а) фрагмент линейного ПЗС; б), в), г) диаграммы потенциалов в различные моменты времени; д) характеристики изменения потенциалов на электродах структуры во времени

Рисунок 4 - Структура и  временные диаграммы функционирования линейного ПЗС 

Линейка ПЗС представляет собой трехфазную структуру, электроды  которой соединены между собой  через два. Как видно из рисунка 4, д, потенциалы электродов изменяются с циклической последовательностью. Зарядовый пакет, который за время накопления формируется под электродом Э1, после подачи на соседний электрод положительного потенциала (см. рисунки 4, б. в) будет перемещаться под электрод Э2. Если потенциал электрода Э1 будет уменьшен до исходного значения, то зарядовый пакет полностью переместится под электрод Э2 (см. рисунок 4, г). Аналогично зарядовый пакет может быть смещен под электрод ЭЗ и т.д. Цикличность изменения потенциалов электродов обеспечивает процесс перемещения зарядовых пакетов в направлении, указанном на рисунке 4, а стрелкой. В данном случае предполагается, что во время переноса зарядовых пакетов вдоль структуры освещение (накопление) зарядов прерывается.

Рассмотренная структура  может быть использована для формирования видеосигнала одной строки. Элементу изображения соответствует ячейка из трех элементов структуры. Соседние зарядовые пакеты, сформированные в процессе накопления (например, путем импульсной проекции изображения), изолированы друг от друга потенциальными барьерами электродов, находящихся под низким напряжением. Канал переноса ограничивается областями СД.

Быстродействие ПЗС-структур лимитируется временем переноса заряда из одной накопительной ячейки в другую. Это время достигает единиц наносекунд. Поэтому максимальные тактовые частоты для ПЗС- структур составляют десятки и сотни мегагерц. Таким образом, указанные диапазоны работы ПЗС-структур обеспечивают успешное их применение в телевизионных системах с параметрами вещательного стандарта.

В отличие от идеализированных механизмов передачи зарядовых пакетов вдоль структуры, в реальных условиях значение заряда по мере передачи пакета вдоль структуры не остается неизменным. Одна из основных причин этого явления состоит в захвате носителей заряда поверхностными энергетическими уровнями ловушек. Для количественной оценки эффективности переноса зарядовых пакетов используют показатель эффективности передачи заряда или коэффициент потерь (неэффективность передачи) ԐП

Ԑ  П =( Q ic –Q (i+1)c ) / Q ic

 где Qc - значение полезного заряда в i-й и (i+ 1)-й ячейках структуры. Для ПЗС структур Ԑ П  = 10-4  … 10-5 .   Частотная зависимость коэффициента потерь приведена на рисунке 5

Рисунок 5 - Частотная зависимость  коэффициента потерь Ԑ  П 

Один из эффективных способов уменьшения коэффициента потерь является создание структур с объемным каналом. Для этого на границе полупроводник-оксид создается эпитаксиальный или ионно-легированный приповерхностный слой кремния, тип проводимости которого противоположен типу проводимости подложки. Это приводит к тому, что максимум потенциала в потенциальной яме находится не на поверхности полупроводника, а на некоторой глубине, что существенно снижает потери на захват носителей. На рисунке 2-а показана энергетическая диаграмма при подаче напряжения смещения. Быстродействие структур с объемным каналом выше, что связано с более сильными краевыми полями, действующими в направлении перемещения зарядовых пакетов. Рабочие тактовые частоты таких структур превышают 100 МГц.

Направленный перенос  зарядовых пакетов можно создать  не только в трехфазной ПЗС-структуре, но и в двухфазной. Для этого необходимо обеспечить условия формирования асимметричной в направлении продвижения зарядовых пакетов потенциальной ямы. Существует несколько способов формирования асимметричных потенциальных ям, один из которых поясняется рисунком 6. В данном случае толщина слоя диэлектрика между полупроводником и электродом неодинакова в направлении перемещения зарядовых пакетов. Это приводит к различию поверхностных потенциалов под толстым и тонким слоями диэлектрика. Это видно из диаграммы распределения поверхностного потенциала для U 1 > U 2.  Накопленный заряд будет концентрироваться под правой частью электрода 1 (непрерывная линия показывает примерную картину распределения поверхностного потенциала перед накоплением для этого случая). После переключения напряжения на электродах U1 <U2  (штриховая линия) накопленный заряд сместится па один шаг вправо. Переключая циклически потенциалы U1и U2, можно обеспечить направленное перемещение зарядовых пакетов.

Рисунок 6 - Двухфазная структура линейного ПЗС

1.2 Классификация матричных преобразователей свет-сигнал

Как теле-, так и видеокамеры требуют использования в них преобразователей свет-сигнал, способных формировать сразу целое изображение, сфокусированное оптической системой на светочувствительной поверхности пробора с зарядовой связью. Для этого используются многие тысячи светочувствительных датчиков, объединенных в матрицу. Такой двумерный массив получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп-каналы -это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы. Аналоговый метод работы сдвигового регистра используется для переноса зарядов, генерируемых светочувствительными датчиками, из этой секции на выходной терминал прибора.

Число элементарных конденсаторов (элементов) по горизонтали определяет горизонтальное разрешение, а число элементов по вертикали жестко привязано к телевизионному стандарту.

Существуют два способа  засветки ПЗС: прямая (со стороны электродов) и обратная. Прямая засветка характеризуется низким коэффициентом пропускания из-за непрозрачности электродов. Этот недостаток принципиально неустраним. Широко используемые в технологии ПЗС пол и кремниевые электроды, хотя и являются полупрозрачными, плохо пропускают излучение сине-голубой области спектра. Вследствие интерференционных эффектов, возникающих в многослойной структуре, на спектральной характеристике появляются пики и провалы.

При обратной засветке излучение  проходит через подложку, прозрачность и однородность которой значительно выше. Важной особенностью режима обратной засветки является сильное диффузное расплывание зарядового пакета, так как расстояние, которое должны пройти заряды от зоны фотогенерации до обедненного слоя значительно больше, чем в режиме прямой засветки. Спектральная характеристика при этом имеет вид плавной кривой (рисунок 7) Оптимизация толщины слоев многослойного покрытия позволяет повысить коэффициент пропускания. Другим способом повышения этого коэффициента и, следовательно, улучшения спектральной чувствительности является замена электродов из поликремния на проводящие окислы металлов (олова, индия, сурьмы), характеризующиеся более высокой прозрачностью, в том числе, и в сине-голубой области спектра.

Рисунок 7.

1-прямая засветка

2-обратная засветка

При разработке двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания. По способу накопления и переноса зарядовых макетов матрицы делятся на три вида. Первый - это приборы со строчным переносом зарядов (Interline Transfer - IT), второй - с кадровым переносом или Frame Transfer - FT и, наконец, третий - с кадрово-строчным переносом или Frame Interline Transfer - FIT (рисунок 8)

Рисунок 7 - Основные разновидности  матриц приборов с зарядовой связью

а) структура матрицы с  кадровым переносом зарядов (ПЗС КП);

б) структура матрицы с строчным переносом зарядов (ПЗС СП);

       в) структура матрицы с кадрово-строчным переносом зарядов (ПЗС КСП)

1.3 Принципы кадрового переноса зарядов

Первые формирователи  видеосигнала на ПЗС использовали принцип  кадрового переноса зарядов, который  является самым простым, а поэтому  наиболее удобным в производстве и эксплуатации матриц. В матрице данного типа кремниевая интегральная схема как бы разделена на две секции. Верхняя половина представляет собой секцию светочувствительных датчиков, накапливающих заряды (создающих потенциальный рельеф). Нижняя же часть полностью замаскирована, чтобы на нее не мог попасть световой поток. Эта половина матрицы представляет собой секцию хранения (памяти) зарядов, равную по площади секции накопления, и считывающего регистра. В этой секции происходит последовательное считывание зарядовых пакетов. Упрощенная конструкция такой матрицы представлена на  рисунке 9. Реально, конечно, матрица состоит из гораздо большего числа элементов.

В процессе телевизионной  развертки во время активной части  поля па секцию накопления заряда проецируется изображение, формируемое объективом, а вторая половина матрицы (секция хранения заряда) защищена от попадания какого-либо света (и, следовательно, от увеличения заряда на ней). Потенциальный рельеф формируется на всей площади изображения.

За время кадрового  гасящего импульса накопленные заряды с большой скоростью последовательно движутся в вертикальном направлении в секцию хранения. Во время накопления в фотоприемной секции следующего телевизионного кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется в интервале строчного гасящего импульса.

а) режим формирования зарядов; б) режим переноса зарядов

1 - фотодатчик; 2 заряды, пропорциональные падающему световому потоку; 3 - секция накопления зарядов; 4 - оптическая маска; 5 - секция хранения зарядов; 6 - выходной терминал; 7 - считывающий регистр

Рисунок 9 - Конструкция матрицы  ПЗС с кадровым переносом зарядов

Поскольку заряд, соответствующий  какому-либо пикселю, проходит через  области других пикселей, необходим  затвор, который перекрывал бы доступ света из объектива на время переноса. Далее затвор снова открывается для следующего телевизионного кадра, а в это время (активная часть строки) зарядовые пакеты поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, где двумерная сетка распределения интенсивности засветки (потенциальный рельеф) преобразуется в сигнал с изменяющимся напряжением).

Перенос зарядов отдельных  строк из секции памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время обратного хода строчной развертки, а выход зарядов строки из регистра в выходное устройство - во время прямого хода строчной развертки.

Таким образом, в матрице  с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема:

- в перенос из секции  накопления в секцию памяти;

- перенос из секции  памяти в сдвиговый регистр;

- перенос из сдвигового  регистра в выходное устройство.

Простая электродная структура  позволяет компактно расположить  ячейки матрицы.

На практике матрицы ПЗС  КП оказались малопригодными для камер цветного телевидения из-за недостаточной чувствительности в синей области видимого спектра излучения. Это объясняется тем, что поликремниевые электроды, толщину которых для обеспечения достаточной проводимости приходится выбирать равной примерно 0,5 мкм, сильно поглощают синюю составляющую спектра и практически не пропускают ее в подложку.

Серьезным недостатком матриц ПЗС КП является смаз, т.е. появление вертикальных светлых столбов от ярких участков на изображении (рисунок 10). В ПЗС КП из-за того, что во время покадрового переноса (а он осуществляется достаточно продолжительное время, порядка 1 мкс) накопленных зарядов из секции накопления в секцию памяти свет продолжает попадать в секцию накопления, образуя новые пакеты зарядов, которые добавляются к переносимым пакетам. В последующих полях появляется смаз в виде отрезка белой вертикальной полосы, следующей за очень ярким объектом (рисунок 10). Отрезок вертикальной белой полосы перед ярким объектом соответствует паразитным зарядам, накопленным в секции накопления во время переноса полезных пакетов зарядов в первом и последующих полях и считываемых из нее во втором и последующих полях.

1 - экран; 2 - яркая деталь изображения; 3 — двусторонние вертикальные тянущиеся продолжения (смаз) от яркой детали изображения

Рисунок 10 - Изображение яркой детали на экране видеомонитора при наличии смаза

1.4 Особенности построчного переноса зарядов

В матрицах со строчным переносом  зарядов светочувствительные ячейки расположены между вертикальными ПЗС регистрами сдвига, заэкранированными от света алюминиевой маскирующей пленкой (рисунок 11) . Секция хранения зарядов отсутствует (ее роль выполняют вертикальные регистры), что при заданном оптическом формате изображения приводит к уменьшению площади кристалла.

Во время кадрового  гасящего импульса все накопленные в светочувствительных ячейках заряды переносятся за один такт в рядом расположенные потенциальные ямы вертикальных ПЗС регистров, из которых далее построчно переносятся в горизонтальный регистр во время строчного гасящего импульса. Из горизонтального регистра заряды считываются во время активной части строки и преобразуются в выходное напряжение во встроенном усилителе.

1 - регистр вертикального сдвига; 2 - фотодатчик; 3 - горизонтальный считывающий регистр; 4 - оптическая маска; 5 - выходной терминал

Рисунок 11 - Конструкция матрицы  ПЗС с построчным переносом зарядов

Поскольку в подобной конструкции  функции светочувствительных датчиков и регистров сдвига разделены, каждая из этих структур может быть оптимизирована. Рассматриваемый преобразователь обладает высокой эффективностью переноса зарядов, при этом обеспечиваются хороший динамический диапазон видеосигнала и сверхнизкий уровень структурных шумов в изображении.

При наличии ярко освещенных деталей изображения в матрицах ПЗС СП также возникает вертикальный смаз (см. рисунок 10). Однако, здесь он обусловлен другими причинами. В первых моделях телекамер, использовавших ПЗС с построчным переносом, искажения были вызваны действием фотонов света, глубоко проникающих под алюминиевый экран над вертикальным ПЗС-регистром - в полупроводниковую структуру преобразователя. Например, в ранних моделях матриц ПЗС СП смаз составлял 3%. Переход к матрицам ПЗС СП с объемными стоками избыточных зарядов позволил уменьшить смаз до 0,2%. Затем и это значение было уменьшено в 12 раз до 0,016% за счет исключения сравнительно толстого (до 1,8 мкм) слоя фосфор-силикатного стекла под алюминиевым экраном и заменой его тонким (0,2 мкм) слоем окисла, что резко снизило паразитную засветку. Фирма Sony в своих матрицах ПЗС СП снизила уровень смаза до 0,01% за счет уменьшения подтекания зарядов в ПЗС-регистр путем увеличения сопротивления подложки, а также за счет введения р-кармана под вертикальными регистрами.

Для обеспечения чересстрочной  развертки в матрицах ПЗС СП могут  использоваться два способа накопления и считывания зарядов из светочувствительных  ячеек в вертикальные регистры. В  первом из них в четных полях считываются  заряды из всех четных ячеек, а в  нечетных полях - из всех нечетных ячеек. Время накопления зарядов в каждой ячейке в этом случае равно длительности телевизионных кадров (40 мс), что приводит к уменьшению динамического разрешения для движущихся деталей изображения по сравнению с матрицами ПЗС КП где время накопления зарядов равно длительности поля (20 мс). Для устранения этого недостатка в последнее время в качестве основного используется второй способ считывания зарядов с двух соседних ячеек одновременно с номерами 1+2, 3+4,... в первом поле и 2+3, 4+5, ... во втором. В результате время накопления зарядов становится равным длительности одного поля телевизионной развертки. т.е. 20 мс (рисунок 12). Недостаток второго способа заключается в некотором снижении вертикальной разрешающей способности.

Рисунок 12. Иллюстрация принципа накопления заряда в течение телевизионного поля

Отмеченный недостаток можно  устранить, если в четных полях считывать заряды из всех четных ячеек, а заряды из нечетных удалять. В нечетных же полях нужно считывать заряды из нечетных ячеек, заряды из четных ячеек во время того же полевого гасящего импульса удалять в специальные стоки. Следует заметить, что в предлагаемом режиме считывания зарядов вдвое снижается чувствительность матрицы.

Для увеличении чувствительности матриц ПЗС СП в синей части  спектра видимого излучения толщину  поликремниевых затворов выбирают очень тонкой (50... 100 нм) и с таким расчетом, чтобы результирующая спектральная характеристика (с учетом интерференции света, отраженного от границ раздела поликремний-двуокись кремния-кремний) имела максимум излучения в сине-зеленой части видимого спектра (рисунок 13). Однако полученная форма спектральной характеристики МОП-конденсатора не всегда позволяет получить наивысшее качество цветопередачи, требуемое для вещательного телевидения. Кроме того, в матрицах ПЗС СП с МОП-конденсаторами фирмы Sony используются поверхностные стоки для избыточных зарядов при локальных пересветах. В результате активная площадь светочувствительных ячеек оказывается сравнительно небольшой (около 23%). Поэтому в последнее время многие зарубежные фирмы, в том числе и фирма Sony, стали применять в качестве светочувствительных ячеек в матрицах ПЗС СП фотодиоды различной конструкции в совокупности с объемными стоками для удаления избыточных зарядов.

1 - с МОП-конденсаторами; 2 - с фотодиодами