Прибор с зарядовой связью (стр. 7 из 9)

ФСИ с адресной организацией имеют и ряд недостатков. При считывании ток сигнала по амплитуде незначительно отличается от паразитного тока, поэтому формирователь имеет малый динамический диапазон (около 10:1), и кроме того, на выходе необходимо иметь очень чувствительные пороговые схемы. Время считывания оказывается значительным (порядка нескольких микросекунд), что обусловлено временем рекомбинации инжектированных из светочувствительного элемента дырок с электронами подложки. Для управления покоординатной выборкой требуются мощные сдвиговые регистры, занимающие большую площадь кристалла. Например, в ФСИ с полной телевизионной разрешающей способностью (500X500 элементов) каждый разряд сдвигового регистра должен обеспечить формирование импульсов на 500 электродах, общая емкость которых может достигать 20 пФ. Если длительность фронтов импульсов должна быть меньше 100 нс, то ширина каналов МДП-транзисторов должна быть больше 100 мкм. Еще одним недостатком является меньшая, чем в обычных ПЗС, степень интеграции, так как адресная выборка требует большого количества пересекающихся шин, кроме того размеры самого элемента больше.

Усовершенствование приборов с инжекцией заряда применением эпитаксиальной технологии для образования р-n-перехода с тонкой подложкой позволило значительно улучшить параметры ФСИ: увеличить на порядок скорость считывания, расширить динамический диапазон до 500: 1, обеспечить отношение пика сигнал/шум на уровне 1200 : 1. С использованием адресной организации фирма GeneralElectric разработала формирователь сигналов изображений, содержащий 256X256 светочувствительных элементов.

Наиболее простые управляющие цепи (два трехтактных генератора) требуются при модифицированной кадровой организации. Регулярную простую топологию имеют ФСИ со строчной и с кадровой организациями. При модифицированной кадровой организации элементы хранения, расположенные рядом со светочувствительными элементами, необходимо защищать от света с помощью металлизации, что усложняет технологию. Технологическими недостатками приборов с инжекцией заряда являются необходимость формирования в каждом светочувствительном элементе диффузионной области и пересечения металлизированных шин строк и столбцов. Наибольшая разрешающая способность (512Х Х326 элементов) достигнута при использовании кадровой организации трехтактных структур с трехслойными кремниевыми электродами. Таким образом, различные способы организации имеют определенные достоинства и недостатки; наилучшее сочетание характеристик имеют кадровая и модифицированная кадровая организации.

Рис.19. Строка ФСИ на МДП-фотодиодных элементах: 1 - фотодиод; 2 -передающий МДП-транзистор; 3 - вход тактовых импульсов обслуживающего сдвигового регистра; 4 - сдвиговый регистр на МДП-транзисторах; 5 - вход питания; 6- выход видеосигнала.

Родственными ФСИ на ПЗС являются матрицы на основе МДП-фотодиодных элементов. Эти приборы появились на несколько лет раньше ПЗС, на их основе выпускаются линейные ФСИ, содержащие от 64 до 1000 элементов, и матричные ФСИ с разрешающей способностью 5ОХ'5О элементов.

ФСИ на основе МДП-фотодиодных структур представляет собой фотодиодную схему, в которой для сканирования зарядовых пакетов используются МДП-транзисторы (рис.19). Воспринимаемое изображение преобразуется в картину зарядовых пакетов, накапливаемых на р — n-переходах фотодиодов. Передача зарядов на выход осуществляется с помощью последовательно открывающихся МДП-транзисторов, которые управляются сигналами от сдвигового регистра, выполненного также на МДП-транзисторах и сформированного на том же кристалле. Таким образом, в данном ФСИ функции преобразования света в заряд и хранения заряда выполняются фотодиодами, а функция передачи — МДП-транзисторами. В ФСИ на ПЗС все три функции выполняются самими ПЗС-элементами.

Достоинствами МДП-фотодиодных структур являются отсутствие искажений зарядовых пакетов при сканировании (так как требуется только одна передача); большая, чем у ПЗС, фоточувствительность, что обусловлено меньшим коэффициентом отражения света в фотодиодной структуре и большей глубиной (равной глубине залегания р-n-перехода), на которой накапливаются заряды. Недостатками являются большая (примерно в четыре раза) площадь одного светочувствительного элемента, состоящего из фотодиода и МДП-транзистора, что приводит к уменьшению разрешающей способности; больший уровень шумов и меньшая амплитуда выходного сигнала, что связано с большой выходной емкостью, равной емкости всей передающей шины строки.

По-видимому, для создания ФСИ с большой разрешающей способностью (для полноформатных передающих ТВ камер) будут использоваться ПЗС. Основные области применения МДП-фотодиодных структур — системы наблюдения, оптического распознавания образов, дефектоскопия и т. п., т. е. системы специального малокадрового телевидения с числом элементов разложения 50X50.

7 Перспективы развития ФСИ на ПЗС

Функциональные возможности ФСИ на ПЗС пока далеко не исчерпаны. В настоящее время на основе ПЗС разрабатываются главным образом формирователи сигналов изображений видимого света. Однако их возможности простираются и на ИК диапазон. Электромагнитные волны ИК диапазона вызывают генерацию электронно-дырочных пар не за счет перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости (для этого необходима большая энергия), а за счет возбуждения электронов с мелкие примесных уровней. Для того чтобы эти уровни не разряжались без воздействия ИК излучения, необходимо значительно уменьшить термогенерацию, т. е. охладить кристалл. Так как кристалл имеет небольшие габаритные размеры, то задача его охлаждения может быть решена относительно просто. Используя примеси, образующие разные по глубине уровни, можно добиться эффективного восприятия изображений в различных поддиапазонах ИК области.

Еще одно расширение функциональных возможностей ПЗС связано с тем, что глубина обедненного слоя, образующегося под затвором, зависит от напряжения на нем. Учитывая также сильную зависимость коэффициента поглощения света от длины волны lможно создать спектрально-чувствительные ФСИ, позволяющие выделять определенные цвета в видимой части спектра.

Наиболее очевидной областью применения ФСИ на ПЗС являются передающие телевизионные камеры. Однако современные образцы формирователей с наибольшей разрешающей способностью пока не удовлетворяют требованиям телевизионного стандарта и не обеспечивают неискаженную передачу изображений с яркими участками. Ожидается, что в ближайшее время эти трудности будут преодолены.

На основе существующих ФСИ можно создавать портативные и энергоэкономичные передающие камеры с меньшей разрешающей способностью, предназначенные для промышленного применения, учебных, медицинских и спортивных целей. Уже упоминалось о черно-белой передающей камере MV-100, в которой .используется ФСИ на ПЗС с разрешающей способностью 100ХЮ0 элементов. На основе приборов с инжекцией заряда на кристалле 8,4X11,2 мм2 разработана многоэлементная матрица, которая при использовании чересстрочной развертки дает разрешающую способность 512X256 элементов. Размер кристалла позволяет использовать оптику от 16-мм кинокамер.

На основе ФСИ на ПЗС можно построить цветную передающую телевизионную камеру. Для этого используются три кристалла ФСИ и стандартный цветоделительный блок, в котором световой поток изображения расщепляется на три цвета, поступающих на соответствующие кристаллы ФСИ. В ФСИ эти световые потоки преобразуются в видеосигналы. Благодаря фиксированной конфигурации матриц и тактируемому самосканированию в ФСИ на ПЗС устраняется трудность точного совмещения развертываемых изображений, существующая в цветных телевизионных камерах с тремя трубками и вызывающая появление «цветной бахромы» на воспроизводимом изображении.

Передающие камеры для малых уровней освещенности являются еще одной перспективной областью применения ПЗС. Основной проблемой, возникающей при малых уровнях освещенности, являются шумы, которые становятся сравнимыми с сигналом. Собственные шумы ПЗС, обусловленные флюктуациями фонового заряда и флюктуациями зарядовых потерь при передаче, позволяют достичь минимального уровня освещенности, соответствующего 60—100 электронам водном зарядовом пакете. При таком малом сигнале определяющую роль начинают играть шумы выходного усилителя. Эти шумы могут быть значительно снижены с помощью многократного неразрушающего считывания и последующего сложения выходных сигналов, в результате которого флюктуации усредняются и отношение сигнал/шум ks/Nувеличивается. Подобный принцип реализуется с помощью многоразрядного усилителя, так называемого «распределенного усилителя с плавающим затвором» (РУПЗ) (рис.20). К каждому биту последние Nвых разрядов выходного сдвигового регистра подключен усилитель зарядов с плавающим затвором.