Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

322

Гл. 5.

Приборы

с зарядовой связью

SiC

+£•„ плавающий

выход выход

Рис, 5,7. Метод неразрушающего считывания информации с ПЗС с помо-

щью плавающего затвора (с) и эквивалентная электрическая схема узла

считывания (б)

близко расположенных одномерных линеек, закрытых красным,

зеленым и синим светофильтрами.

Двумерные приемники изображения широко используются

в телевизионных системах. При передаче телевизионного сигна-

ла принято использовать чересстрочную развертку, при которой

каждый передаваемый кадр изображения разбивается на два

полукадра, состоящих из четных и нечетных строк. Удвоенная

частота, с которой передаются полукадры, позволяет ослабить

мерцание экрана и более качественно (без рывков) передавать

изображение быстро движущихся объектов.

Для формирования чересстрочной развертки с помощью ПЗС

было предложено два подхода. Первый из них проиллюстрирован

на рис. 5.8. В этом подходе заряды, накапливаемые в двух груп-

пах фоточувствительных ячеек с полупрозрачными верхними

электродами (/ и 2), которые отвечают четным и нечетным стро-

кам, во время обратного хода кадровой развертки поочередно

передаются в вертикальные регистры сдвига (ячейки хранения,

защищенные от света) Каждый раз после того, как очередная

строка передана (во время обратного хода строчной развертки)

зарядовые пакеты в вертикальных регистрах сдвига перемеща-

ются на строку вниз, а заряды из нижней строки передаются

в горизонтальный регистр сдвига и во время прямого хода по-

элементно поступают на усилитель считывания. По окончании

передачи одного полукадра в ячейки хранения переносятся заря-

ды, накопленные в фоточувствительных ячейках другого полу-

кадра, и процедура поэлементного вывода изображения продол-

жается.

) Защита ячеек от света необходима для того, чтобы на изображении не

появлялись дефекты в виде полос, тянущихся в одном направлении от ярких

точек на изображении.

Гл.

Приборы

зарядовой

связью

323

свет

фоточувствительные ячейки

\ V

I I

регистр сдвига

выход

Рис. 5.8. Формирователь изображения на ПЗС [52]

Во втором подходе к формированию чересстрочной развертки

фоточувствительные ячейки имеют вид вертикальных столбцов,

простирающихся на всю высоту ПЗС, а изменение простран-

ственного положения областей собирания носителей в конкрет-

ных местах этой ячейки осуществляется «электронным» спосо-

бом за счет подачи определенных напряжений на проходящие

над ячейками горизонтальные управляющие электроды [212].

Это позволяет перемещать центры потенциальных ям в фоточув-

ствительных ячейках точно на половину расстояния между ячей-

ками хранения и таким образом формировать четные и нечетные

строки. Устройство вертикальных и горизонтальных регистров

сдвига в этой конструкции аналогично рассмотренному выше.

Обе описанные конструкции приемников изображения на

ПЗС позволяют одновременно производить накопление текуще-

го кадра изображения в фоточувствительных ячейках и вывод

предыдущего кадра из ячеек хранения. Управляющие электроды

фоточувствительных ячеек обычно изготавливаются из поликри-

сталлического кремния (слой поликремния толщиной 4000 А до-

статочно прозрачен во всем диапазоне видимого света), а управ-

ляющие электроды ячеек хранения изготавливаются из какого-

нибудь непрозрачного металла (например, алюминия).

Для создания цветных передающих камер для телевидения

и видеокамер используются два варианта конструкций. В более

дешевых камерах разделение цветов осуществляется путем на-

несения на поверхность ПЗС-матрицы в строгом соответствии

с положением фоточувствительных ячеек либо цветных полос,

изготовленных из красителей, либо интерференционных филь-

тров. В более дорогих камерах одновременно используются три

идентичных ПЗС, а цветоделение осуществляется с помощью

и*

324

Гл. 5.

Приборы

с зарядовой связью

призменного устройства расщепления луча с дихроичными зер-

калами.

Интересной особенностью ПЗС является то, что проециро-

вать изображение на него можно как со стороны управляю-

щих электродов, так и со стороны подложки. При освещении

структуры со стороны контактов необходимо, чтобы электроды

были полупрозрачными; обычно такие электроды изготавлива-

ют из поликремния. Хотя эффективность создания электронно-

дырочной пары в полупроводнике при поглощении кванта света

в области собственного поглощения близка к единице, следует

иметь в виду, что при освещении структуры со стороны кон-

тактов из-за отражения света на нескольких границах кремния

и поликремния с S1O2 возникает интерференция, которая приво-

дит к появлению дополнительных пиков и провалов на кривых

спектральной чувствительности приемника, а из-за отражения

света от структуры и поглощения света в электродах до фото-

чувствительных ячеек доходит лишь 35-50% падающих квантов.

Поэтому характерное значение квантовой эффективности ПЗС-

приемника при освещении со стороны контактов ограничивается

указанными цифрами

При освещении ПЗС со стороны подложки квантовая эф-

фективность и «гладкость» спектра фоточувствительности выше,

однако пространственное разрешение приемника (то есть спо-

собность различать быстро чередующиеся светлые и темные ли-

нии на изображении) ниже, поскольку возбужденные у нижней

границы подложки неосновные электроны в процессе диффузии

к потенциальным ямам, расположенным на противоположной

стороне пластины, могут заметно смещаться в поперечном на-

правлении. Чтобы это диффузионное «размытие» было малым,

подложка такого прибора должна быть очень тонкой. На инте-

гральную чувствительность приемника также влияет и его кон-

струкция; так, например, в конструкции, показанной на рис. 5.8,

ячейки хранения закрыты системой непрозрачных металличе-

ских электродов, и поэтому интегральная чувствительность

такой структуры оказывается вдвое ниже; цветные свето-

фильтры также снижают чувствительность ПЗС-приемников.

Для повышения интегральной чувствительности каждый эле-

мент матрицы ПЗС может быть снабжен микролинзой, которая

направляет падающий световой поток на фоточувствительную

область ячейки.

') Квантовую эффективность удается поднять до 70% если использовать

контакты из прозрачных проводящих окислов металлов (ТпгОз-БпОг).

Гл.

Приборы

зарядовой

связью

325

Кроме более высокой квантовой эффективности по сравне-

нию с современными вакуумными приемниками изображения

(квантовая эффективность фотокатодов, используемых в супери-

коноскопах и суперортиконах, не превышает 20%), получению

более высокой чувствительности ПЗС-прием ни ков способствует

и малая емкость усилителя считывания, который, в отличие от

вакуумных приборов, можно создать на одном кристалле с мат-

рицей ПЗС. Поэтому при приеме слабых сигналов уровень шума

приемников изображения на ПЗС оказывается заметно ниже,

а чувствительность — выше, чем у вакуумных приборов. По

этой причине уже в 1989 году 97% всех приемников изображе-

ния, используемых в телевидении, создавались на основе ПЗС.

В настоящее время приемники изображений на основе приборов

с зарядовой связью широко используются в бытовой технике —

видеокамерах и цифровых фотоаппаратах. Характеристики этих

изделий (в частности, число элементов изображения) уже на-

много превзошли характеристики, принятые в телевидении. Так,

число элементов разложения в цифровых фотоаппаратах уже

перешагнуло границу в 12 миллионов, тогда как стандартный

кадр телевизионного изображения в системах PAL и SECAM

содержит примерно 250 тысяч элементов 0.

Благодаря высокой чувствительности ПЗС-приемники нахо-

дят широкое применение в системах регистрации слабых свето-

вых потоков, например, в астрономии; для уменьшения уровня

шума при необходимости матрица ПЗС может дополнительно

охлаждаться. Область спектральной чувствительности обычных

кремниевых ПЗС простирается от 0,4-0,5 до 1,1 мкм. Чув-

ствительность этих приборов в ближней инфракрасной области

позволяет использовать их в охранных системах и приборах

ночного видения (при инфракрасной подсветке объекта мощными

светодиодами из GaAs). Более того, изготавливая ПЗС из по-

лупроводников с различной шириной запрещенной зоны, можно

') Следует отметить, что в середине 90-х годов у приемников изображения

на основе ПЗС появились конкуренты — приемники изображения, построенные

на основе КМОП-структур. Устройство этих приемников напоминает устрой-

ство запоминающих устройств {см. с. 273): каждая фоточувствительная ячейка

имеет свой усилитель сигнала и может адресоваться с помощью адресной

шины и передавать аналоговый сигнал по разрядной шине. К разрядным ши-

нам подключены аналого-цифровые преобразователи, преобразующие сигнал

в цифровую форму. Преимуществами этих приемников изображения являются

существенно меньшая потребляемая мощность по сравнению с ПЗС и воз-

можность использования всех достижений КМОП-технологии, позволяющая

понизить их стоимость.

326

Гл.

Приборы

с зарядовой связью

создать приемники изображения, работающие практически в лю

бом спектральном диапазоне.

-Ж

канал

переноса

1 1

область

ограничивающая

распространение

канала

Рис. 5.9. Схемы объединения (а) и деления (б) зарядовых пакетов при анало-

говой обработке сигналов (212]

Приемники изображения, работающие в инфракрасной области

(ИК) спектра, необходимы во многих областях науки и техники. Сре-

ди возможных применений этих приемников можно указать решение

задач разведки и наблюдения (в том числе и из космоса), создание

приборов тепловидения для промышленных приложений и медици-

ны, Наиболее актуальной является разработка приемников, работа-

ющих в окнах прозрачности атмосферы в диапазонах 2-2,5, 3,5-4,2

и 8-14 мкм, в которых ИК-излучение слабо поглощается присутствую-

щими в воздухе углекислым газом и парами воды. Для тепловизионных

приложений, регистрирующих собственное ИК-излучение объектов,

необходимо достичь разрешения по температуре, равного О Л К. При

одновременной засветке фотоприемника тепловым излучением фона

с температурой 300 К для этого необходима высокая однородность

полупроводника и идентичность характеристик фоточувствительных

ячеек.

Существуют два типа приемников изображения на ПЗС» работаю-

щих в ИК-области: монолитные приборы, в которых фоточувствитель-

ная матрица и регистры сдвига изготавливаются из одного и того же

полупроводника, и гибридные приборы, в которых схемы считывания

и регистры сдвига ПЗС изготавливают из кремния, а фоточувствитель-

ные ячейки — из другого материала.

Монолитные ИК-приемники изображения из кремния используют

два принципа: 1) фоточувствител ьность барьера Шоттки и 2) со-

здание фоточувствительного слоя за счет легирования полупровод-

ника. Первый из этих принципов основан на явлении фотоэмиссии

электронов из металла при поглощении света в барьере Шоттки.

Область спектральной чувствительности таких приемников определя-

ется красной границей фотоэффекта, которая, например, составляет

5,5 мкм в барьере PtSi-p-Si. К сожалению, из-за низкого квантового

выхода фотоэффекта эти приемники имеют невысокую чув-

ствительность. Во втором способе в кремнии путем легирования его

Гл. 5.

Приборы

зарядовой

связью

327

различными примесями (Р, Ga, In) создается фоточувствительный

слой. При охлаждении прибора до температуры, отвечающей практиче-

ски полному вымораживанию носителей на примесях, получается при-

емник, область спектральной чувствительности которого определяется

энергией ионизации использованной примеси.

Монолитные приемники можно создавать и из других полупро-

водников; в этом плане были исследованы Ge, GaAs, InAs, InSb,

Hg0.eCd0.2Te, PbS, PbTe и Pbo,76Sno

24Te, ширина запрещенной зоны

в которых меньше, чем в Si. К сожалению, высокая плотность поверх-

ностных состояний на границе этих полупроводников с диэлектриками

мешает получить достаточно высокую эффективность переноса в изго-

товленных из них монолитных приемниках.

Гибридные приемники могут использовать как прямую инжекцию

заряда из массива внешних детекторов (например, фотодиодов), так и

«непрямую инжекцию». В последнем случае сигнал, снимаемый с фо-

точувствительного элемента (например, с фоторезистора), управляет

величиной заряда, который вводится в зарядовые пакеты кремние-

вого ПЗС. Обе описанные конструкции гибридных приемников ИК-

изображения требуют охлаждения до температур, оптимальных для ра-

боты используемых фоточувствительных элементов. Охлаждения при-

емника не требуется, если в качестве датчика использовать кристалл

пироэлектрика. Нагрев пироэлектрика (например, триглицинсульфа-

та) в результате поглощения ИК-излучения приводит к изменению

величины спонтанной поляризации этого кристалла и возникновению

напряжения на его гранях (порядка 200 мВ/град). Это напряжение

можно использовать для управления величиной инжектируемого в ПЗС

заряда. Недостатком пироэлектрических детекторов является их высо-

кая инерционность и низкая чувствительность.

Аналоговые и цифровые функциональные устройства на

ПЗС• Возможность перемещения зарядовых пакетов с помощью

системы управляющих электродов позволяет создавать на осно-

ве ПЗС многофункциональные устройства обработки аналого-

вой информации [213]. Создавая определенную конфигурацию

электродов, можно объединять и делить зарядовые пакеты (см.

рис. 5.9), осуществлять задержку сигнала на заданное время.

Все это позволяет легко реализовать такие практически важ-

ные устройства, как цифровые фильтры

]

). Эти устройства на-

ходят широкое применение при обработке речевых сигналов,

в системах связи, радиолокации. Аналоговые линии задержки

*) Цифровой фильтр — это электронное устройство, производящее взве-

шенное суммирование исходного сигнала с несколькими задержанными на

различное время копиями того же сигнала. Выбирая весовые коэффициенты к

времена задержки, можно реализовать практически любую частотную харак-

теристику цифрового фильтра.

328

Гл. 5.

Приборы

с зарядовой связью

используются в схемах восстановления цветовых сигналов

в цветном телевидении, а перестраиваемые линии задержки —

в схемах коррекции временных искажений в устройствах

видеозаписи.

Возможность одновременно осуществлять оптический и элек-

трический ввод сигналов в ПЗС приводит к интересной воз-

можности аналоговой обработки изображений непосредственно

в этих приборах. Так, вводя в ячейки электрический сигнал,

инвертированный по отношению к сигналу, полученному при за-

крытом оптическом затворе, удается эффективно компенсировать

дефекты изображения, в частности, «геометрический шум», воз-

никающий из-за неоднородности темнового тока на различных

участках фоточувствительной матрицы. Другим применением

аналоговой обработки изображений, основанным на вычитании

из текущего кадра предыдущего кадра изображения, является

выделение движущихся объектов, которое используется в радио-

локации и охранных системах.

В связи с быстрым развитием МОП-транзисторов и интегральных

схем на их основе в настоящее время ПЗС более не используются

для создания цифровых ИС. Однако в связи с неуклонным развитием

электроники в сторону наноразмерных систем, в которых логическая

информация скорее всего будет представляться единичными зарядами,

описываемые ниже решения, найденные для ПЗС, возможно, обретут

вторую жизнь.

Использование ПЗС в цифровых устройствах в основном связа-

но с созданием запоминающих устройств, хотя возможны и другие

применения [213]. Основным элементом запоминающего устройства

на ПЗС (см. рис. 5.10) является регистр сдвига, для компенсации

потерь переноса в котором используется специальная схема регене-

рации. Создать схему регенерации довольно просто: для этого пла-

вающую диффузионную область выходного диода одной цепочки (OD

на рис. 5.6) достаточно подключить к управляющему электроду IG

входной цепи следующей цепочки ПЗС. Эта схема по сути является

инвертором (схемой «НЕ»). Действительно, если на выходе первой

цепочки появляется заполненный электронами пакет (отвечающий со-

стоянию логической 1), то потенциал электрода IG понижается и

носители перестают инжектироваться во вторую цепочку, а если на

выходе первой цепочки появляется пустой пакет (логический 0), то про-

исходит инжекция во вторую цепочку. Правильно подобрав потенциалы

на электродах, можно сделать схему инвертора нечувствительной к

небольшой «деградации» величин зарядов, отвечающих логическому 0

и логической 1. Последовательное включение двух цепочек с двумя

схемами регенерации по сути и представляет собой запоминающее

устройство с последовательным доступом, которое является электрон-

ным аналогом магнитного диска.

Гл. 5.

Приборы

с зарядовой связью 329

входная

информация | формирователи!

запись

хранен.

г~г

пзс

ТТзс

ПЗС

• • •

ПЗС

выходная

информация

входная/выходная

информация | формирователи!

мульти-

плексор

адрес

Рис. 5.10. Серпантинная (а) и петлевая (б) организация запоминающих

устройств на ПЗС. R

—

схема регенерации сигнала [212]

Существуют два варианта организации запоминающих устройств

на ПЗС (см. рис. 5,10). При серпантинной организации для доступа

к необходимой информации приходится считывать все расположенные

ранее данные (последовательный доступ к данным), но при этом схе-

ма управления устройством очень проста. При петлевой организации

время доступа к данным существенно быстрее (память организована

в виде параллельных «дорожек»), но при этом схема управления ста-

новится сложнее. Недостатком описываемых запоминающих устройств

является их достаточно высокое энергопотребление, которое связано

с необходимостью постоянного перемещения зарядов в цепочках ПЗС.

На основе приборов с зарядовой связью можно строить различ-

ные логические элементы, такие как схемы «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ»,

которые необходимы для создания периферийных схем запоминающих

330

Гл.

Приборы

зарядовой

связью

Ф2

Фъ

*А

\ В

{А

t В

Ф2

з ID

]

I _

C=AVB

,G[

• • «

=АЛВ

* _

С=АЛВ

=AVB

Рис. 5.11. Схема

функций «ИЛИ»

реализации логических

и «И» путем создания

соответствующей конфигурации управляю-

щих электродов во входном узле ПЗС [213]

устройств. Функцию «ИЛИ»

можно реализовать слияни-

ем двух зарядовых пакетов

(при переполнении ямы из-

быточный заряд из нее уда-

ляется специальным устрой-

ством), а функцию «И» реа-

лизовать путем слияния за-

рядовых пакетов и проверкой

потенциальной ямы на пере-

полнение [213]. На рис. 5.11

показана более сложная схе-

ма, позволяющая органи-

зовать потоковую обработ-

ку данных, Используя идею

неразрушающего считывания

и подавая с плавающих за-

творов двух ПЗС-цепочек А

и В электрические сигналы на включенные параллельно или последо-

вательно управляющие затворы IG входного узла третьей ПЗС-цепочки

С, можно реализовать указанные логические функции.

Шумы в приборах с зарядовой связью. Вопрос о шумах,

присущих ПЗС, имеет первостепенное значение при использо-

вании этих приборов в качестве приемников изображения и в

схемах аналоговой обработки сигналов.

Поскольку зарядовые пакеты состоят из электронов, имею-

щих фиксированную величину заряда, большинство компонентов

шума ПЗС носит дробовой характер [212, 213]. В структурах,

для которых характерна неполнота переноса заряда (например,

для пожарных цепочек), перемещение пакетов сопровождается

появлением шумов переноса, которые связаны с флуктуациями

величины заряда, теряемого при переносе пакета из одной ямы

в другую. Однако даже если допустить, что заряд переносится

полностью, его величина все равно флуктуирует из-за шумов

поверхностных состояний, которые определяются флуктуаци-

ей числа электронов, захватываемых и выбрасываемых с по-

верхностных ловушек. Основной вклад в этот тип шума дают

ловушки, темп выброса с которых близок к частоте переноса.

Флуктуации заряда, связанные с поверхностными состояниями,

равны

= q

kTN

A\n2

где N

— плотность поверхностных состояний, а А — площадь

элемента. Спектральная плотность этого шума не зависит от

частоты, поскольку энергетическое распределение поверхности

Гл.

Приборы

зарядовой

связью

331

ных состояний непрерывно. Глубокие уровни, присутствующие в

обедненном слое, вызывают шум объемных ловушек. Этот тип

шума также связан с процессами захвата и выброса электронов,

но из-за дискретности энергетических уровней этот шум сильно

зависит от температуры и частоты. Наконец, дополнительный

шум в работе ПЗС создают флуктуации заряда при вводе и

выводе информации. Шумы при вводе информации связаны с

шумами электрической инжекции (при электрическом вводе)

или флуктуациями светового потока (при оптическом вводе).

Шумы при выводе информации в основном определяются тепло-

вым шумом схемы считывания; при емкости узла считывания С

их величина равна AQ

= кТС. Полный шум современных ПЗС

составляет 100-500 «шумовых» электронов/пакет, а в охлажда-

емых устройствах, используемых в астрономии, — 2-6 электро-

нов/пакет.