Твердотельные фотоэлектрические преобразователи на ПЗС

Развитие полупроводниковых технологий позволило разработать и наладить массовое производство твердотельных матричных фотоэлектрических преобразователей. Разработанные в 1969 г. Уиллардом С. Бойлом и Джоном Е. Смитом, работавшими в исследовательской лаборатории Bell Labs, приборы с зарядовой связью (ПЗС – «Сharge-Сoupled Devices» или CCD) позволили создать твердотельные оптико-электронные преобразователи с характеристиками, практически не уступающими характеристикам видиконов и числом элементов разложения, позволяющим использовать эти приборы в телевизионных системах. О важности для развития современных информационных технологий этого изобретения свидетельствует хотя бы тот факт, что Уиллард С. Бойл и Джон Е. Смит за изобретение оптического полупроводникового сенсора, ПЗС-матрицы в этом году получили Нобелевскую премию в области физики.

ПЗС-матрица, это прямоугольная матрица из большого числа одинаковых полупроводниковых светочувствительных элементов (ПЗС-элементов) – Рис. 3.8, количество которых может достигать несколько сотен тысяч или миллионов.

Рис. 3.8. ПЗС-матрица

Каждый ПЗС-элемент матрицы преобазует в электрический сигнал один элемент изображения – пиксел. Работа ПЗС-матрицы основана на явлении внутреннего фотоэффекта. Устройство работает следующим образом.

Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых – преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Каждый ПЗС-элемент матрицы выглядит следующим образом – Рис. 3.9.

Рис. 3.9 Конструкция ПЗС-элемента

ПЗС-элемент состоит из кремниевой подложки p – типа, с каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. При подаче на электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n – типа создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить электроны.

Преобразование света в электричество в ПЗС-элементе происходит следующим образом. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона (внутренний фотоэффект), который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Чем большее количество фотонов упадет на данную ячейку (более яркий свет), тем больший заряд накопится в потенциальной яме этого элемента. Преобразование и накопление зарядов происходит одновременно во всех элементах в течение всего времени экспозиции (кадра). После этого сохраненные в потенциальных ямах электроны нужно считать, и усилить возникший при этом фототок.

Замечательное свойство ПЗС-матрицы заключается в том, что считывание содержимого ПЗС-элементов осуществляется с помощью последовательных регистров сдвига, построенных на тех же самых ПЗС-элементах, объединённых в строку (или столбец). Процедура считывания базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы – Рис. 3.10

Рис. 3.10 Перенос заряда между ячейками в ПЗС

Если же имеется цепочка таких затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать заряды вдоль всей структуры – Рис. 3.11. На каждую ячейку при этом должно быть три электрода: один передающий, один принимающий и один изолирующий, разделяющий пары принимающих и передающих электродов друг от друга. При этом одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода для каждой фазы управляющего сигнала – Рис. 3.12.

Рис. 3.11 Цепочка элементов ПЗС

Рис. 3.12 Сигналы управления переносом в ПЗС

Работа всей ПЗС-матрицы в процессе переноса зарядов иллюстрируется рисунком - Рис. 3.13.

Рис. 3.13 Полнокадровая ПЗС-матрица (full-frame CCD – matrix).

При переносе зарядов двумерный массив содержимого ячеек ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку. Но перед этим заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига должны быть уже сдвинуты на выходной усилитель. До освобождения последовательного регистра в этой схеме параллельный вынужден простаивать. То есть скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Очевидно, также, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, что снижает интегральную чувствительность сенсора.

Существует более совершенный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, заряды построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига.

Для исключения влияния на процесс переноса падающего света, поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной панелью, а вся такая система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame – transfer CCD) – Рис. 3.14.

Рис. 3.14 ПЗС-матрица с буферизацией кадра

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированиями значительно сокращается (повышается потенциальная частота кадров), а также увеличивается чувствительность матрицы. Однако матрица с буферизацией кадра имеет и недостаток – удлинившийся «маршрут» переноса зарядов, который негативно сказывается на сохранности этих зарядов, часть которых теряется.

Для устранения этого недостатка была предложена схема с буферизацией столбцов (interline CCD –matrix) – Рис. 3.15. Эта схема в чём-то сходна с буферизацией кадра— в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром — его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования.

Рис. 3.15. ПЗС-матрица с буферизацией столбцов (interline CCD –matrix)

Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс зарядов в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда, как это бывает в полнокадровой матрице. Кроме этого, время экспонирования для каждого кадра по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров — не менее 30 кадров секунду.

К сожалению, введение буферных регистров приводит к тому, что они занимают значительную часть площади матрицы. Так, в матрицах с буферизацией каждому пикселю достаётся лишь 30% площади светочувствительной области, а следовательно – и светового потока, падающего на матрицу, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Поэтому в большинстве современных ПЗС-матриц поверх каждого пиксела располагается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает весь падающий на эту часть свет в концентрированный луч, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область ПЗС-ячейки – Рис. 3.16.