Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

показано, как изменяется поверхностный потенциал Uп (в относительных единицах) по мере накопления заряда Q (в относительных единицах). 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 МОП-структуры с учетом динамического характера потенциала Uэ . Процесс образования потенциальной ямы начинается после подачи на металлический электрод МОПструктуры 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, то есть 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.

5.3. Классификация матричных преобразователей свет-сигнал ПЗС-типа

Как теле-, так и видеокамеры требуют использования в них преобразователей свет-сигнал, способных формировать сразу целое изображение, сфокусированное оптической системой на светочувствительной поверхности прибора 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 тех-

нологическими 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 поликремниевые 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 (рис. 5.4).

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. При разработке двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания. По способу накопления и переноса зарядовых пакетов матрицы делятся на три вида. Первый – это приборы со строчным переносом за-

рядов (Interline Transfer – IT), второй – с кадровым переносом или Frame Transfer – FT и, наконец, третий – с кадрово-строчным переносом или Frame Interline Transfer – FIT (рис. 5.5).

Рис. 5.4. Зависимости спектральной чувствительности ПЗС от способа засветки: 1 – прямая засветка; 2 – обратная засветка

Рис. 5.5. Основные разновидности матриц приборов с зарядовой связью:

а) структура матрицы с кадровым переносом зарядов (ПЗС КП); б) структура матрицы со строчным переносом зарядов (ПЗС СП);

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

Первые формирователи видеосигнала на ПЗС использовали принцип кадрового переноса зарядов, который является самым простым. Однако серьезным недостатком матриц ПЗС КП является СМАЗ, то есть появление вертикальных светлых столбцов от ярких участков на изображении. Поэтому в современных передающих камерах ТВЧ-типа матрицы ПЗС КП не используются.

5.4.Особенности построчного переноса зарядов

Вматрицах со строчным переносом зарядов светочувствительные ячейки расположены между вертикальными ПЗС регистрами сдвига, заэкранированными от света алюминиевой маскирующей пленкой (рис. 5.6) [40, 50]. Секция хранения зарядов отсутствует (ее роль выполняют вертикальные регистры), что при заданном оптическом формате изображения приводит к уменьшению площади кристалла.

Рис. 5.6. Конструкция матрицы ПЗС с построчным переносом зарядов:

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

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.

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.

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.

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, то есть 20 мс (рис. 5.7). Недостаток второго способа заключается в некотором снижении вертикальной разрешающей способности.

Рис. 5.7. 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 синезеленой части видимого спектра (рис. 5.8). 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 пересве-

Рис. 5.8. Спектральные характеристики матриц ПЗС СП фирмы Sony:

1 – с МОП-конденсаторами; 2 – с фотодиодами