Содержание

• 1 Общие сведения о приборе с зарядовой связью (ПЗС)
• 2 Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью
• 3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике
• 4 Фотоприемные характеристики ПЗС
• 5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС
• 6 Матричные (плоскостные) ФСИ
• 7 Перспективы развития ФСИ на ПЗС
• Литература
• 1 Общие сведения о приборе с зарядовой связью (ПЗС)
• Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл -- диэлектрик-- полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис.1). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур [1--3].
• Рис.1. Структура ПЗС
• Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение*), то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности в глубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей -- дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик -- полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.
• Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента (электрод 1 на рис.1), либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода (электрод п на рис.1.). Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов.
• Естественно, что заряд, введенный в МДП-структуру, не может храниться в ней неограниченно долго. Процесс термогенерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводника и на границе раздела диэлектрик -- полупроводник ведет к накоплению в потенциальных ямах паразитных зарядов и, следовательно, к искажению зарядовой информации, а с течением времени и к полному ее «стиранию». Это время может достигать сотен миллисекунд и даже десятков секунд, но, тем не менее, оно конечно и определяет существование нижней граничной частотьг. Таким образом, работа прибора основана на нестационарном состоянии МДП-структуры, и ПЗС являются элементами динамического типа.
• Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд очень интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов.
• К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относятся возможность хранения, зарядовой информации; возможность направленной передачи зарядов вдоль поверхности полупроводникового кристалла; возможность преобразования светового потока в электрический заряд и последующего его считывания (сканирования). Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность (5--10 мкВт/бит в режиме передачи информации и практически полное отсутствие затрат энергии в режиме хранения), что обусловлено МДП-структурой этих устройств. Простота конфигурации и регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этих приборов может быть очень высоким (у специально сконструированных образцов предельные тактовые частоты лежат в гигагерцевом диапазоне).
• Пожалуй, еще более важными являются конструктивно-технологические достоинства ПЗС, основными из которых являются технологическая ясность и простота (малое число фотолитографических, термодиффузионных и эпитаксиальных процессов при изготовлении прибора) -- обязательное условие при создании качественных многоэлементных (с числом элементов 104--106) устройств; высокая степень интеграции (превышающая 105 элементов на одном кристалле) и высокая плотность упаковки (более 105 бит/см2); малое количество внешних выводов, что является определяющим при построении высоконадежных систем; отсутствие p-n-переходов (немногочисленные p-n-переходы ПЗС выполняют «подсобные» функции и к ним предъявляются достаточно «слабые» требования), что, в частности, открывает широкие возможности для использования наряду с кремнием других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия).
• Все эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС.
• Для цифровой техники интересны сдвиговые регистры, оперативные запоминающие устройства, логические схемы. Линии задержки аналоговых сигналов на ПЗС по техническим характеристикам значительно превосходят свои акустические и магнитные аналоги.
• В оптоэлектронной технике преобразования изображений ПЗС открывают принципиальные новые возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом. ПЗС являются уникальными аналогами ЭЛТ, позволяющими одновременно с уменьшением массы, габаритных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и качество формирователей видеосигналов. Дополнительное достоинство фотоприемников на основе ПЗС заключается в принципиальной возможности использовать разнообразные полупроводниковые материалы, что позволит перекрыть широкую область электромагнитного спектра (включая и ИК область).
• Создание передающих телевизионных камер на основе ПЗС приведет в будущем не только к оснащению техники надежным «электронным глазом» (отметим, что в проекте создания средств искусственного зрения для человека ориентация делается также на ПЗС), но и к действительно широкому использованию средств телевидения в быту.
• Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световой поток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерация электронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяются и в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемого заряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени (порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, в матрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующая распределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакеты будут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их в электрические сигналы. В результате на выходе получится последовательность импульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.
• На этой основе создаются, учитывающие устройства для фототелеграфа, а также, передающие камеры (вплоть до камер полноформатного цветного телевидения). В будущем ПЗС найдут применение в качестве удобных матричных фотоприемников в сверхпроизводительных оптоэлектронных вычислительных машинах с параллельной обработкой информации.
• Появление ПЗС (1969 г.) явилось результатом исследований в области физики и технологии МДП-приборов. Разработка этого нового направления полупроводниковой техники занимаются многие научные коллективы в разных странах мира и уже достигнуты весьма заметные результаты.
• Созданы быстродействующие однокристальные ЗУ на ПЗС емкостью 8192, 16384 и 65536 бит с временем выборки 64--200 мкс и скоростью выдачи информации 1--5 МГц; на базе кристаллов емкостью 16 К (килобит) сконструировано ЗУ емкостью 1 Мбит с блочной выборкой по 256 бит. Разработана широкополосная линия задержки аналоговых сигналов емкостью 128 разрядов, предназначенная для использования в системах цветного телевидения; опробован коррелятор на ПЗС, позволяющий одновременно обрабатывать 40 000 дискретных значений сигнала с общей погрешностью менее 1%.
• Имеются многочисленные сообщения о начале промышленного выпуска рядом фирм США (в первую очередь Bell и RCA) передающих телекамер с числом элементов разложения 200X200 и 500x500.
• В то же время нельзя не заметить, что на пути широкого использования ПЗС стоит еще много нерешенных проблем -- и в первую очередь технологическая: проколы диэлектрической пленки и закоротки электродных шин все еще не позволяют уверенно с высоким процентом выхода получать бездефектные ПЗС достаточно большой информационной емкости. Важнейшей технологической проблемой создания больших ПЗС с однослойной металлизацией является проблема получения узких (2--3 мкм) зазоров между электродами; основной технологический брак в таких структурах -- закоротки. В структурах с многослойными кремниевыми затворами трудно получить высококачественный изолирующий диэлектрик между всеми уровнями поликремния.
• В заключение хотелось бы отметить, что создание устройств на приборах с зарядовой связью, в особенности оптоэлектронных, является важным этапом в развитии больших интегральных схем и одним из первых реальных шагов по пути к функциональной микроэлектронике.

2 Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью

Динамику перемещения зарядовых пакетов в ПЗС проследим на примере трехкратного сдвигового регистра (рис.2).

В этой схеме каждый третий электрод подключается к соответствующей шине тактовых импульсов. В исходном состоянии (рис.2,а) под напряжением хранения

Рис.2. Схема трехтактного сдвигового регистра на ПЗС:

а - хранение информации в элементах 1. 4. 7; б - передача информации; в - хранение информации в элементах 2. 5, 8.

Uхр. =-U2 находятся электроды 1, 4, 7, а все остальные -- под напряжением - U1 (U1<U2); подложка заземлена. Напряжение U1 выбирается немного большим порогового напряжения U0 (величина U0 для МДП-структуры определяется как минимальное напряжение на затворе, при котором наступает инверсия поверхности полупроводника) для того, чтобы вся ^поверхность полупроводника была обеднена и на поверхностных состояниях отсутствовали электроны. Допустим, что в потенциальных ямах 1, 7 есть зарядовые пакеты, а в 4 их нет. На следующем такте к электродам 2, 5, 8 прикладывается напряжение записи Uзап. = -U3(U3>U2) и заряды перетекают от ПЗС1 (строго говоря, в данном случае следует использовать термин «ПЗС-элемент» или «МДП-структура», так как речь идет об одном элементе прибора с зарядовой связью. Однако для сокращения здесь и в дальнейшем (если из контекста ясно, что речь идет об элементе) используется термин «ПЗС», а слово «элемент» опускается.) к ПЗС2 и от ПЗС7 к ПЗС8 (рис.2,б).

Рис. 3. Зонная диаграмма для ПЗС-элемента в режиме хранения информации: а - в первый момент после включения; б - в стационарном состоянии; 1 - металл; 2 - диэлектрик; 3 - обедненная область; 4 - нейтральная область полупроводника.

На следующем такте на электродах устанавливаются напряжения в соответствии с рис.2,в и начинается фаза хранения зарядовой информации в элементах 2, 5, 8.

Таким образом, для ПЗС характерны два режима работы: хранение и передача зарядовых пакетов. В режиме хранения ПЗС эквивалентен МДП-емкости. Зонная диаграмма поверхности полупроводника для режима хранения приведена на рис.3,а. Величина поверхностного потенциала, характеризующая изгиб зон и глубину потенциальной ямы, в начальный момент максимальна. При инжекции пакета дырок их положительный заряд экранирует подложку от поля, в результате чего происходит перераспределение внешнего напряжения: увеличивается часть напряжения, падающего на слое диэлектрика, поверхностный потенциал уменьшается (по абсолютной величине), и обедненная область сужается. С течением времени потенциальная яма заполняется до насыщения термогенерируемыми дырками и у поверхности образуется стационарный инверсный слой (рис.3,б). Величина поверхностного потенциала уменьшается (по абсолютной величине) до потенциала инверсии поверхности полупроводника ц0

В нестационарном состоянии поверхностный потенциал ц зависит от напряжения на затворе U3, плотности (на единицу поверхности) заряда дырок Qp и от электрофизических характеристик диэлектрической пленки и подложки:

(1)

где U'3 = U3 - UП3 = U3 - Uo - ц0 + UВ - напряжение плоских зон; - коэффициент подложки; UB = BOC ; Сд = еде0хд - удельная емкость диэлектрика затвора толщиной хд . В (1) и последующих выражениях используются абсолютные значения потенциалов и зарядов, что делает их применимыми для р- и n-канальных ПЗС.

Зависимости ц(QP) для разные значений напряжений затвора приведены на рис.4.

При увеличении заряда дырок Qp от нуля до стационарного значения поверхностный потенциал уменьшается по абсолютной величине до потенциала инверсии ц0. Из графиков рис.4 видно, что зависимости ц(QP) практически линейны. Аппроксимированное выражение для ц имеет вид:

ц=(U'3-QP/Cд)(1+x), (2)

где х=0,1--0,2 -- линеаризованный коэффициент подложки.

Максимальный заряд QPM, который может быть помещен в потенциальную яму при заданном напряжении U3, определяется из (1) при условии насыщения потенциальной ямы, т. е. при ц=ц0,

Рис.4. Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного в потенциальной яме заряда при разных напряжениях затвора:

N_д=5-10¹⁴ см^-3, U_o=3.8 В.

Рис.5. Зависимость Q_PУ = Q_P + Q_{P пар} от времени хранения для различных значений информационного заряда Q_P. Штриховой линией показаны составляющие заряды, накопленные за счет генерации в обедненной области (1) и на поверхности (2); Q_p=0 (3); Q_p /С_д = 3В (4).

QPM = Сд (U3, -- U0) (3)

Обычно QPM= (1--5) 10-3 пКл/мкм2.

Наглядным представлением потенциальной ямы ПЗС может служить прямоугольный сосуд с жидкостью. Максимальная глубина потенциальной ямы соответствует высоте пустого сосуда; но мере заполнения сосуда жидкостью его эффективная глубина уменьшается. Допустимое время хранения заряда определяется процессами, приводящими к накоплению паразитного заряда QP. В основном это термогенерация электронно-дырочных пар в обедненном слое и на поверхности, а также до некоторой степени диффузия неосновных носителей из объемной нейтральной области.

Расчет показывает, что при малых значениях накапливаемого паразитного заряда QP его зависимость от времени близка к линейной, в дальнейшем кривые становятся сублинейными, приближаясь к постоянному значению QPM, определяемому соотношением (3).

На рис.5 приведены расчетные кривые для U3 = 10 В, Nд=5·1014 см-3, U0=3,8 В, тепловая скорость хт=107 см/с, сечение захвата уv = 2,2-10-16 см2, плотность объемных центров Nоб=l,8·1014 см-3, плотность поверхностных центров Nпов=6·1010 см-2. При этих параметрах и при QP = 0 время накопления паразитного заряда, составляющего 1 % от QpM, равно 20 мс (для многоэлементных ПЗС, и в особенности для аналоговых устройств, большее накопление паразитного заряда недопустимо).

Максимальное время хранения можно определить и экспериментально, измерив время релаксации МДП-емкости, сформированной в тех же условиях, что и ПЗС, и включаемой таким же импульсом напряжения. Приближенно время накопления паразитного заряда, равного по величине информационному, на порядок меньше времени релаксации МДП-емкости. Опыт показывает, что в зависимости от качества обработки поверхности кремния и совершенства структуры подложки время релаксации лежит в пределах 1--60 с и соответственно время накопления паразитного заряда составляет 0,1-- 6 с. Задаваясь требуемым соотношением между величинами информационного и паразитного зарядов, нетрудно рассчитать максимальное время хранения информации в ПЗС. При соотношении 100: 1 это время составляет десятки миллисекунд.

Еще раз отметим, что процессы накопления паразитного заряда определяют максимальное время хранения и минимальную частоту работы цифровых и аналоговые устройств на ПЗС, а также темновые токи в фотоприемных ПЗС. Передача заряда из элемента в элемент осуществляется приложением к соседнему электроду большего по амплитуде напряжения записи Uзап (рис.6). В зазоре между электродами (обозначим его длину через l) возникает тянущее поле, под действием которого дырки перетекают в более глубокую потенциальную яму.

Рис.6. Схема передачи заряда в ПЗС

По мере перетекания зарядов поверхностный потенциал в ПЗС1 увеличивается (по абсолютной величине), а в ПЗС2 уменьшается, в результате чего поле в зазоре уменьшается.

Очевидно, что напряжение записи Uзап должно превышать напряжение хранения Uхр тем значительнее, чем больше расстояние между электродами и чем сильнее легирована кремниевая подложка (рис.7). Из рисунка видно, что практически для работоспособных ПЗС ширина зазора не должна превышать l = 2-3 мкм, a Nд?1015 см-3. Минимальная амплитуда импульса записи Uзап линейно увеличивается при возрастании UXP и QP.

Рассмотрим динамику переноса заряда из одного элемента (ПЗС1) в другой (ПЗС2) (рис.6). В режиме хранения к ПЗС1 приложен потенциал UXP, к ПЗС2 - нулевой потенциал. Заряд дырок плотностью Qp равномерно локализован в ПЗС1. После приложения к ПЗС2 потенциала записи Uзап>Uхр в зазоре между ячейками устанавливается тянущее поле, причем обычно напряженность его столь высока, что дырки, находящиеся вблизи левой границы ПЗС1, практически мгновенно переходят в ПЗС2. Концентрация дырок вблизи правой границы ПЗС2 очень быстро спадает до нуля (т. е. поле зазора действует аналогично полю обратного смещенного коллекторного p-n-перехода в транзисторе). Резкое изменение равномерности распределения дырок в ПЗС1 вызывает их интенсивный дрейф и диффузию внутри потенциальной ямы слева на право. Если положить l<<L и рассматривать одномерный случай, то, как обычно при таких процессах, для времени передачи заряда приближенно должно выполняться: tпер ~ L2/мpэ (4)

Рис.7. Зависимость минимальной амплитуды импульса записи от напряжения хранения (а), длины зазора (б) и концентрации примеси в подложке (в).

где L -- длина затворов (электродов) ПЗС;

мрэ--поверхностная эффективная подвижность.

Очевидно, что коэффициент пропорциональности в (4) зависит от того, какой коэффициент эффективности передачи требуется получить. Обычно для многоэлементных ПЗС этот уровень очень высок и составляет

= QРППЗС2/ QРП ПЗС1 = 0,99-0,9999,

где QPП -- полный заряд в одной ячейке.

Рис.8. Зависимость нормализованного заряда Q=1- времени передачи для приборов с параметрами: L=6 мкм, м_рэ=180 см²/В·с; численный расчет; _приближенное аналитическое решение.

По мере перетекания заряда из ПЗС1 в ПЗО2 концентрация дырок в ПЗС1, а следовательно, и дрейфовая составляющая тока уменьшаются и процесс передачи, определяемый только диффузией, замедляется -«хвост» переходного процесса всегда более затянут по сравнению с начальной фазой (рис.8). Чем больше начальная плотность заряда Qp, тем большая его часть «вытечет» за время первой быстрой стадии и тем меньше (при заданном допустимом значении ) будет время передачи tпер. Эпюры распределения плотности Заряда дырок в различные моменты времени представлены на рис.9. Через левую границу ПЗС1 потока дырок нет, поэтому на графиках рис.9 в любой момент времени градиент концентрации дырок в этой точке равен нулю.

Рис.9. Эпюры распределения Qp(y) в различные моменты процесса передачи

Наглядной аналогией процесса передачи заряда является вытекание вязкой жидкости из прямоугольного сосуда, торцевая стенка которого (соответствующая правой границе потенциальной ямы ПЗС) отодвинута так же, как и в ПЗС, чем больше начальный уровень жидкости, тем быстрее выльется заданная ее часть.

Рис.10. Зависимости коэффициента потерь е₁ от времени передачи для ПЗС с разной длиной электродов.

Для большинства реальных структур ПЗС размеры L и l соизмеримы и очень малы; при этих условиях; становится существенным эффект проникновения краевого поля Еkр (которое мы выше считали полностью сосредоточенным в зазоре) в область ПЗС1, что оказывает определяющее влияние на перетекание оставшейся части зарядового пакета.

Рассмотрим важнейшую характеристику ПЗС -- эффективность передачи заряда , представляющую собой часть заряда дырок, перешедшую из ПЗС1 в ПЗС2 за время передачи. При заданном допустимом уменьшении ^зарядового пакета значение определяет максимальное количество элементов, через которое информация может быть передана без восстановления. Часто оказывается удобнее использовать понятие потери (неэффективности) передачи е =1--. При конечном времени передачи потери заряда обусловлены, во-первых, тем, что за t=tnep часть заряда е1 просто не успевает перетечь в соседнюю ячейку и, во-вторых, захватом части носителей е2 поверхностными ловушками. Составляющая е1 определяет потери передачи на высоких частотах, е2--на низких и средних частотах работы.

Рассмотрим подробнее захват носителей поверхностными ловушками. Если, например, в ПЗС1 поступает информационный пакет, то часть дырок захватывается

границей раздела диэлектрик -- полупроводник. На следующем такте зарядовый пакет перетекает в ПЗС2, равновесие между инверсным слоем и поверхностными ловушками нарушается, и они начинают разряжаться. Те носители, которые освобождаются ловушками за t=tnep, успевают вернуться в зарядовый пакет, остальные образуют потери передачи е2 . Потери е2зависят не только от плотности поверхностных ловушек и величины зарядового пакета, но и от характера предшествующей зарядовой информации, передаваемой через данный элемент. Если передается серия логических 1 (которой соответствуют большие зарядовые пакеты), то потери е2 будут максимальны в первом зарядовом пакете и будут уменьшаться в последующих, так как часть ловушек, захвативших заряды от первого пакета, не успеет разрядиться к приходу следующего и эти ловушки не будут участвовать в захвате носителей. Наихудшим случаем с точки зрения потерь е2 является передача чередующейся последовательности логических 1 и 0. В этом случае выражение для е2 имеет вид:

(5)

где Nл -- плотность поверхностных ловушек; т = 2, 3 ... -- количество управляющих тактов; Сд(U3--U0) -- величина зарядового пакета. В типичных структурах е2=(2--3) 10-3 и в первом приближении не зависит от тактовой частоты.

Влияние поверхностных состояний может быть уменьшено, если в цепочку ПЗС (в каждый зарядовый пакет) ввести некоторый фоновый заряд, заполняющий поверхностные ловушки. В результате потери информационного заряда при передаче уменьшаются. Неполное устранение влияния ловушек объясняется рядом причин, главными из которых являются краевой эффект и захват носителей не только при хранении, но и во время протекания зарядового пакета через ПЗС и зазор.

Краевой эффект возникает из-за двумерности распределения электрического поля в реальных ПЗС, что делает потенциальные ямы не прямоугольными, а закругленными. Следовательно, площадь поверхности занимаемая пакетом, будет зависеть от величины заряда и всегда будет больше площади, занимаемой меньшим по величине фоновым зарядом. Поэтому поверх постные ловушки, расположенные у краев электрода, где фонового заряда нет, будут пустыми и смогут захватывать носители из зарядного пакета. Потери заряда or этого эффекта составляют (4-5)10-4.

Захват носителей в процессе передачи главным образом связан с тем, что в зазоре фонового заряда нет и поэтому ловушки не заполнены. Обусловленная этим неэффективность составляет (2--3) 10-4. Таким образом, введение фонового заряда не позволяет выполнить условие е2>0, но в несколько раз уменьшает потери передачи, обусловленные захватом носителей поверхностными ловушками.

В заключение рассмотрим фоточувствительность ПЗС. Одним из факторов, определяющих фоточувствительность, является коэффициент поглощения ?, который характеризует интенсивность поглощения фотонов (с образованием электронно-дырочных пар). Коэффициент поглощения ? резко уменьшается при увеличении длины волны падающего света. Поэтому область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в информационные заряды (называемая областью спектральной чувствительности) ограничена. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница составляет 0,4--0,5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое, в котором интенсивно происходит рекомбинация фотогенерируемых носителей.

Если считать, что все возбужденные носители собираются ПЗС, то зарядный пакет Qpn, накапливаемый за время генерации (интегрирования) ta под действием светового потока Нш, может быть рассчитан по следующему приближенному выражению:

QPП = qHизиtи?Aэ , (6)

где и -- квантовый выход; Аэ -- часть площади элемента, воспринимающая свет. Для ПЗС и=1, этому соответствует фоточувствительность порядка 500 мкА/лм. Пороговая чувствительность, при которой сигнал превышает шумы примерно в 2 раза, составляет для ПЗС около 10-4 лк·с. Фотоприемное устройство на ПЗС можно освещать со стороны затворов (электродов) или с обратном стоны.

3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике

Одним из важнейших направлений развития оптоэлектроники является создание телевизионной системы на базе интегральных схем, начиная от передающей системы и кончая экраном.

Основой телевизионной передающей системы (рис.11) является формирователь сигналов изображений (ФСИ), называемый также формирователем видеосигналов (ФВС). ФСИ преобразует изображение в адекватную ему последовательность электрических импульсов. Большинство телевизионных передающих камер основано на использовании видикона, представляющего собой электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), на торцевую поверхность которой нанесена мишень в виде слоя высокоомного фотопроводника. Сканирование осуществляется электронным лучом.

Передаваемое изображение с помощью объектива проецируется на мишень, отдельные участки которой заряжены электронным лучом до определенного потенциала. Сопротивление каждого участка фотопроводящего слоя зависит от его освещенности. Поэтому в интервале между двумя последовательными подзарядками участки с различной освещенностью разряжаются по-разному и при последующем сканировании ток электронного луча, создающий видеосигнал, изменяется в соответствии с изображением.

Рис.11. Структурная схема телевизионной передающей системы:

1 - объект; 2-линза; 3-формирователь сигналов изображений; 4 - усилитель; 5 - блок хранения сигнала: 6 - блок считывания сигнала; 7 -формирователь видеосигнала; 8 - видеоусилитель

Основной недостаток видиконов (а также их разновидностей: плюмбиконов, кремниконов и т. д.) связан с необходимостью использовать высоковольтные вакуумные системы. Это обусловливает низкие долговечность и надежность устройств, значительные габаритные размеры и массу, невысокую механическую прочность и другие недостатки, присущие всем вакуумным приборам.

При создании твердотельных формирователей сигналов изображений для обеспечения сканирования пытаются использовать (но пока безуспешно) различные физические эффекты: эффект Суля, дрейф неосновных носителей заряда, движение доменов сильного поля и др.

Формирователи сигналов изображений на ПЗС по сравнению с ЭЛТ различного устройства характеризуются конструктивной и технологической простотой, малыми габаритными размерами и массой, значительной долговечностью и надежностью и малой потребляемой мощностью. Эти преимущества обусловлены самосканированием (передача зарядовых пакетов на выход ФСИ осуществляется с помощью самих ПЗС-элементов). Имение это конструктивно-технологическое интегрирование функций фоточувствительных и сканирующих элементов в одном приборе позволяет считать ПЗС наиболее перспективными для создания полностью твердотельных ФСИ.

4 Фотоприемные характеристики ПЗС

ПЗС-элементы в формирователе сигналов изображений работают в трех режимах: восприятие (интегрирование) изображения, т. е. преобразование светового потока в зарядовые пакеты; хранение зарядовых пакетов; передача (сканирование) зарядовых пакетов на выход устройства. В режиме восприятия изображений световой поток от объекта падает на поверхность ФСИ и вызывает генерацию электронно-дырочных пар в полупроводниковой подложке. В областях кристалла, соответствующих потенциальным ямам ПЗС, носители разделяются, в результате чего в ФСИ накапливается «картина» зарядовых пакетов, соответствующая воспринимаемому образу.

Основными фотоприемными характеристиками ФСИ являются светочувствительность, пороговая светочувствительность, область спектральной чувствительности, разрешающая способность, время интегрирования, частотно-контрастная характеристика, шумы, динамический диапазон. Часть этих .характеристик (светочувствительность, область спектральной чувствительности, время интегрирования) относится к одному ПЗС-элементу и рассмотрена в гл. 1. Другие характеристики зависят or количества передач зарядовых пакетов, от шумов, от вида выходных устройств и т. д., т. е. от способа организации ФСИ.

Разрешающая способность R определяется максимальным количеством линий (отнесенных к одному миллиметру), которое еще может быть воспринято данным ФСИ без их слияния в одно целое. Очевидно, что в ПЗС максимальная разрешающая способность определяется длиной одного светочувствительного элемента L3 и равна

Rмакс=1/LЭ. (7)

Для трехтактных ПЗС LЭ=3(L + l), где L -- длина электрода; l -- длина зазора между электродами. Минимальным значением L = 3 мкм и l=3 мкм соответствует разрешающая способность Rмакс?50 линий/мм. Под разрешающей способностью иногда также понимают общее количество элементов изображения, воспринимаемых всем ФСИ (например, 500x500 элементов).

Реальная разрешающая способность ПЗС ниже рассчитанной по формуле (4). При малых уровнях освещенности в светочувствительных ПЗС-элементах накапливаются малые зарядовые пакеты и большую роль начинают играть шумы. В этом случае минимальный размер светочувствительного элемента определяется не технологией, а условием получения требуемого отношения сигнал/шум ks/N = 3-5.

Шумы в ПЗС можно разделить на две группы: шумы, обусловленные процессом восприятия изображения, и шумы, связанные с режимом передачи зарядовых пакетов. К первой группе относятся белый шум в потоке падающих фотонов (флюктуации плотности потока) и флюктуации фонового заряда.

Шумы фонового заряда зависят от способа его введения. Если фоновый заряд накоплен за счет термогенерации, то его флюктуации характеризуются белым шумом. К шумам, возникающим при сканировании, относятся шумы, обусловленные неполной передачей зарядов, и шумы, обусловленные захватом носителей и перезарядом быстрых поверхностных состояний при прохождении зарядовых пакетов. Еще одним возможным источником шумов является выходной усилитель фотосигналов(Сус).Шумы этого вида являются основным фактором, ограничивающим разрешающую способность в кремниконах, так как при их использовании усилитель выполнен на отдельном кристалле и за счет этого его входная емкость достигает 10--20 пФ. В ФСИ на ПЗС выходной усилитель может быть сформирован а том же кристалле (что исключает монтажные емкости и емкость корпуса), и его входная емкость складывается из емкости «плавающей» диффузионной области и емкости затвора МДП-транзистора. В этом случае Сус = 0,2--0,5 пФ и поэтому шумы, связанные с выходным усилителем, незначительны.

Разрешающая способность ПЗС при низких уровнях освещенности ограничена главным образом шумами в фоновом заряде и шумами процесса захвата носителей. Зависимости рис.12 показывают, что разрешающая способность ограничена шумами при Hизtи<108--109 см-2 (что соответствует величине 10-4- 10-3 лк?с).

Рис.12. Расчетная зависимость разрешающей способности ФСИ на ПЗС емкостью 500X500 элементов от уровня освещенности при разных источниках шумов: 1 - неполная передача зарядов; 2 - быстрые поверхностные состояния; 3 - тепловой шум в фоновом заряде; 4 - экспериментальная кривая для кремнекона А_ъ=25X25 мкм², С_из=0,2. t_и=0.1 с, k_S/N=5

Минимальная площадь одного элемента значительно превышает минимальную «технологическую» и составляет около Аэ?400 мкм2. Выше уровня 109 см2 разрешающая способность определяется минимальными геометрическими размерами светочувствительных элементов. Приведенная на этом же рисунке экспериментальная кривая для кремнекона наглядно демонстрирует преимущество ПЗС при низких уровнях освещенности.

Реальное изображение характеризуется непостоянным потоком Низ(у, z) в плоскости ФСИ. За счет искажений, вносимых ФСИ в процесс преобразования светового потока в «картину» зарядовых пакетов и последующего сканирования зарядов на выход, минимальный размер элемента передаваемого изображения будет больше размера ПЗС-элемента, определяемого шумами или технологией.

Для объективной оценки разрешающей способности ФСИ используется частотно-контрастная характеристика (ЧКХ)( MTF(madulation transfer function).), описывающая изменение амплитуды светового сигнала и сдвиг по пространственной фазе на выходе системы (например, на экране телевизионного приемника) при изменении пространственной частоты входного гармонического сигнала. Любое реальное изображение Hиз может быть разложено в ряд Фурье по пространственным частотам. Так как амплитуды и фазы отдельных гармоник будут искажаться по-разному, то на выходе системы получится искаженное изображение. Поэтому с помощью ЧКХ можно определить искажения, вносимые ФСИ при передаче реального изображения. Частотно-контрастная характеристика определяет передающую систему с точки зрения качественности передачи информации от объекта до наблюдателя. Различные устройства (оптические, фотоэлектронные, электронные, механические и т. д.), вводящие в телевизионную систему, вносят искажения в передаваемую информацию. Частотно-контрастная характеристика и учитывает эти искажения. Аналогией ЧКХ в электронных системах являются амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. Изменение ЧКХ происходит вследствие действия трех факторов: дискретности расположения светочувствительных элементов (изменяющийся в пределах одного элемента световой сигнал представляется усредненным зарядовым пакетом); диффузионного расплывания фотогенерируемых носителей под соседние элементы; потерь зарядов при их переносе.

ЧКХ формирователя сигналов изображений на ПЗС определяется совместным действием всех трех факторов. Поскольку эти факторы являются независимыми, то для получения ЧКХ необходимо перемножить амплитуды и сложить фазы, обусловленные разными эффектами.

Ранее уже отмечалось, что реальное изображение можно разложить в ряд Фурье по пространственным частотам. При передаче через ФСИ гармоники с большей пространственной частотой будут иметь большее затухание по амплитуде и больший фазовый сдвиг, т. е. будут сильнее искажаться по сравнению с низкочастотными. Задаваясь определенным уровнем искажений (по амплитуде и по фазе) и используя ЧКХ, можно определить реальную разрешающую способность ФСИ на ПЗС. При А = 0,2 разрешающая способность оказывается в 2--3 раза меньше предельной Rmax , вычисляемой исходя из размеров ПЗС (4.1), а при А =0,5 -- в 3--4 раза меньше. Таким образом, реальная разрешающая способность ФСИ на ПЗС оказывается равной 20--30 линий/мм.

Динамический диапазон, определяемый как диапазон значений освещенности изображений, который может быть передан без искажений с помощью ФСИ, для ПЗС составляет 1000:1. Нижняя граница этого диапазона определяется шумами, а верхняя -- насыщением потенциальных ям ПЗС и растеканием зарядов при их переполнении. Если на ФСИ падает сильный световой поток, то за время интегрирования потенциальные ямы ПЗС переполняются. Это приводит к двум нежелательным эффектам: во-первых, после заполнения зарядовый пакет, локализованный в потенциальной яме, остается постоянным независимо от уровня освещенности, во-вторых, избыточные заряды под действием диффузии растекаются в соседние ячейки, искажая хранящуюся в них информацию, В конечном итоге это приводит к расплыванию передаваемого изображения, для устранения которого формируют дополнительные обратносмещенные р-n-переходы, собирающие избыточные носители.

5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС

Широкое распространение получили две разновидности ФСИ на ПЗС: строчные (линейные), воспринимающие за один период интегрирования линию изображения, и матричные (плоскостные), в которые весь образ записывается сразу.

Некоторые положения по организации ФСИ являются общими для обоих типов устройств. Прежде всего должно быть обеспечено два режима работы устройства: восприятие светового потока изображения и последовательный вывод зарядовых пакетов к выходу. Используются два принципа: временное или пространственное разделение режимов восприятия и сканирования.

При разделении во времени обе функции ФСИ (восприятие и сканирование) выполняются с помощью одних и тех же ПЗС-элементов за счет усложнения схем управления. Во время восприятия светового потока на соответствующих ПЗС (в трехтактной схеме на каждом третьем электроде) устанавливаются потенциалы хранения, обеспечивающие накопление фотогенерируемых носителей. Все остальные электроды находятся при нулевом потенциале. После восприятия оптической информации на электроды подается последовательность тактовых импульсов, обеспечивающая перемещение зарядовых пакетов информации к выходу.

При разделении обеих функций в пространстве формирователь должен включать в себя две области: светочувствительную область, которая воспринимает световой поток и преобразует его в картину распределения зарядов, и защищенную от света область хранения, в которую после интегрирования передается вся картина распределения зарядов. В следующем затем режиме сканирования информация из этой области передается на выход.

В первом методе все элементы используются в качестве светочувствительных ячеек. Использование всей площади кристалла позволяет получить максимальное разрешение. Недостатком этого метода является усложненение электронного обрамления (управляющих схем), некоторое уменьшение интервала времени, отводимого на интегрирование изображения, и влияние засветки, поскольку за время кадра информация должна быть не только воспринята, но и передана на выход.

Во втором методе для получения той же разрешающей способности требуется удвоенное количество элементов. Соответственно должна быть увеличена и площадь кристалла. К достоинствам метода кроме увеличения длительности интегрирования (вся продолжительность кадра) относится и то, что сканирование осуществляется в области, защищенной от света с незначительным искажением информации.

Применимость того или иного метода определяется достижимыми характеристиками ПЗС и, наоборот, требования к параметрам элементов определяются выбранным методом сканирования. Оба принципа -- и временное, и пространственное разделение -- нашли достаточно широкое распространение.

Перейдем к рассмотрению возможной организации строчных ФСИ (рис.13). В этом устройстве имеется три области: центральная светочувствительная полоска ПЗС, покрытая прозрачным антиотражающим материалом, и две защищенные от света области передачи зарядовых пакетов, расположенные по обе стороны от светочувствительной области и связанные с выходным СР. Электроды центральной области 1 находятся под потенциалом хранения Uхр, обеспечивающим накопление в ПЗС фотогенерируемых зарядов. После восприятия изображения на связывающие электроды 3 поступают импульсы передачи Фх и зарядовые пакеты поочередно сдвигаются в правую и в левую передающие области 2 благодаря соответствующему расположению электродов 3. Затем включаются цепи тактовых импульсов Ф1, Ф2, Ф3 и заряды последовательно перемещаются к двухразрядному СР. Следующий этап -- перевод зарядов в выходную схему считывания на МОП-транзисторах, сформированную на том же кристалле, и превращение их в видеосигнал.

Благодаря наличию двух областей передачи, в которые распределяются зарядовые пакеты, число переносов уменьшается вдвое. Например, если светочувствительная область содержит. 500 воспринимающих электродов, а для передачи используется трехтактная система, то каждая передающая область должна содержать по 250 ПЗС-элементов или 750 электродов (так как в трехтактной системе каждый передающий ПЗС-элемент состоит из трех электродов). Следовательно, число переносов для самой удаленной от выхода точки составит 750.

Рис.13. Организация строчного ФСИ с отдельными светочувствительной и передающей областями:

1 - электроды светочувствительной области; 2 - передающие электроды: 3 - связывающие электроды; 4 - двухразрядный сдвиговый регистр; 5 - выходная схема считывания

Выходная схема считывания состоит из плавающей диффузионной области D, МДП-транзистора T1, восстанавливающего потенциал этой области, и транзистора Т2, на затвор которого воздействует изменение потенциала плавающей диффузионной области, пропорциональное поступившему зарядовому пакету. Транзистор Т2 обычно является входом истокового повторителя. Импульсная диаграмма выходных сигналов приведена на рис.14. В такте Фл, совпадающем по времени с тактом Ф'з, диффузионная область D через восстанавливающий транзистор 77 заряжается до высокого отрицательного напряжения, равного Е. Затем в такте Ф'з очередной зарядовый пакет поступает на диффузионную область D, вызывая изменение ее потенциала.

Рис.14. Импульсная диаграмма сигналов на выходе строчного ФСИ

При использовании строчных ФСИ развертка изображения по вертикали осуществляется механическим сканированием с помощью зеркального барабана или качающегося зеркала, которые последовательно направляют полоски изображения на ФСИ. Малогабаритная камера, разработанная на основе строчного ФСИ, обеспечивает передачу 8 кадров в секунду, имеет размеры 51X102X76 мм3 и потребляет мощность 2,5 Вт.

Строчные ФСИ используются главным образом в фототелеграфии и реже в телевидении. Отдельные фрагменты рисунка, помещенного на вращающийся барабан, через щелевой экран поступают на линзу, которая фокусирует их на фотосчитывающую ПЗС-линейку. В результате последовательно передаются все фрагменты изображения, которые после преобразования в видеосигналы позволяют передать и воспроизвести изображение.

6 Матричные (плоскостные) ФСИ

Устройства на основе строчных ФСИ позволяют передавать изображение с низкой скоростью и не обеспечивают высокого качества видеосигналов. Поэтому телевизионные передающие камеры строят главным образом на основе матричных ФСИ.

Используются четыре основных способа организации матричных формирователей сигналов изображений на ПЗС: кадровая, строчная, строчно-кадровая, адресная. Эти организации отличаются способом считывания картины зарядовых пакетов.

Рис.15. ФСИ с кадровой организацией:

1 - каналоограничивающая диффузионная область; 2 - оптическая секция; 3 - элемент изображения; 4 - секция хранения; 5 - выход видеосигнала; 6 - выходной затвор

ФСИ с кадровой организацией состоит из трех секций (рис.15): фотоприемной (оптической), представляющей собой матрицу ПЗС требуемого формата; секции хранения того же формата, в которой хранится картина зарядов; секции считывания, состоящей из СР на ПЗС и выходного считывающего элемента, преобразующего зарядовые пакеты в видеосигналы.

Картина зарядов, накопленные в фотоприемной секции, после окончания кадра с помощью соответствующей последовательности тактовых импульсов быстро сдвигается в секцию хранения. Таким образом, после восприятия изображения весь кадр сдвигается в секцию хранения и фотоприемная секция готова к приему следующего кадра. В течение времени формирования следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в выходной СР, откуда она поэлементно передается на выходной считывающий элемент (подобно тому, как в строчном ФСИ). Тактовая частота сдвига в выходном регистре должна быть в r раз (где r -- количество элементов в одной строке) выше тактовой частоты в секции хранения для того, чтобы к моменту поступления в регистр следующей строки обеспечить передачу на выход всех зарядовых пакетов предыдущей строки.

Достоинствами кадровой организации процесса Сканирования являются высокое качество передаваемого изображения, возможность чересстрочной развертки, топологическая простота и регулярность кристалла. Высокое качество видеосигналов достигается благодаря тому, что после восприятия изображения картина зарядов быстро сдвигается в защищенную от света секцию хранения и поэтому не происходит дополнительной засветки при сканировании, вызывающей искажения видеосигналов. Чересстрочная развертка является прогрессивным методом считывания информации, позволяющим вдвое уменьшить частоту следования видеосигналов при сохранении того же качества изображения. В ФСИ на ПЗС она может быть получена следующим образом.

В трехтактной системе каждый светочувствительный элемент содержит три электрода. При интегрировании изображения только один из них находится под напряжением смещения и накапливает заряды, два остальных электрода необходимы для направленной передачи зарядов и используются только при сдвиге картины зарядов в секцию хранения. Такую избыточность электродов в режиме восприятия изображения можно использовать так. В течение первого полукадра напряжение смещения подается на одну группу электродов, например, на первые электроды светочувствительных элементов. Накопленные заряды сдвигаются в секцию хранения. В течение второго полукадра напряжение смещения подается на все электроды, и заряды накапливаются под ними. Следовательно, один и тот же светочувствительный ПЗС-элемент используется для восприятия различных элементов изображения, т. е. применение чересстрочной развертки позволяет вдвое увеличить разрешающую способность матрицы на ПЗС при сохранении того же количества элементов. Примером этого служит разработанная фирмой RCA передающая камера, имеющая 256X320 светочувствительных элементов и обеспечивающая в то же время получение 512X320 элементов разложения, т. е. практически полный телевизионный стандарт.

Третье достоинство ФСИ с кадровой организацией состоит в топологической простоте кремниевого кристалла. Все три секции ФСИ имеют регулярную структуру. Электроды формируются в виде поперечных полос металлизации, пересекающих весь кристалл. Области хранения зарядов отделяются друг от друга продольными диффузионными полосами. Секция хранения и выходной СР защищаются от света с помощью дополнительной металлизации.

Кадровая организация ФСИ имеет и определенные недостатки. За счет дополнительной секции хранения, содержащей такое же количество ПЗС, что и светочувствительная секция, общее количество элементов увеличивается вдвое. Например, для получения разрешения 500X500 элементов при использовании чересстрочной развертки необходимо иметь светочувствительную секцию объемом 500X250 элементов, секцию хранения такого же объема и выходной СР на 500 элементов. Следовательно, общее количество элементов равно 500X X 501 = 250 500. Если учесть, что в вертикальном направлении каждый светочувствительный элемент содержит три электрода, то общее количество электродов, которые должны быть сформированы на кристалле, близко к 750 000. Создание таких сверхбольших интегральных систем (СБИС) наталкивается (и еще долго будет наталкиваться) на значительные технологические трудности (основная -- бездефектная фотолитография).

Другим недостатком рассматриваемой структуры является сильное влияние дефектов на качество изображения. Если в светочувствительной секции (а особенно в секции хранения) неисправен только один ПЗС-элемент, то на выходе будет потеряна информация от всего столбца, так как при сканировании через неисправный элемент не смогут быть переданы зарядовые пакеты всех элементов столбца, расположенных выше данного. Если в неисправном элементе электрод закорочен с подложкой через отверстие в окисле, то при передаче через данный элемент зарядовые пакеты будут заполняться до насыщения и на воспроизводимом изображении появится вертикальная светлая полоса. Если на электрод не попадает управляющее напряжение из-за обрыва металлизации, то через данный элемент вообще не будут передаваться зарядовые пакеты и на изображении появится вертикальная темная полоса. Все это еще более усиливает требования к бездефектности всех элементов ФСИ.