Что такое CCD-матрица?

CCD-матрица / Charge-Coupled Device или ПЗС-матрица / Прибор с зарядовой связью - это аналоговая интегральная микросхема, в составе которой есть светочувствительные фотодиоды, выполненные из кремния или оксида олова. Принцип работы данной микросхемы основан на технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).

История CCD-матрицы

Впервые прибор с зарядовой связью был применен Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) в Лабораториях Белла крупнейшей в США корпорации AT&T Bell Labs в 1969 г. Они вели исследования в области видеотелефонии и так называемой «полупроводниковой пузырьковой памяти».

Вскоре миниатюрные приборы получили довольно широкое распространение и стали использоваться как устройства памяти, в которых заряд размещался во входном регистре микросхемы. Спустя какое-то время способность элемента памяти получать заряд за счет фотоэлектрического эффекта стала основной целью применение CCD устройств.

Еще через год, в 1970 году, исследователи все той же Лаборатории смогли зафиксировать изображения с помощью простейших линейных устройств, что собственно и взяли на вооружение инженеры Sony. Данная компания и по сей день активно работает в области CCD технологий, вкладывая в данное направление огромные финансовые вложения, всячески развивая производство ПЗС-матриц для своих видеокамер. Кстати, микросхема ПЗС-матрицы была установлена на надгробной плите главы компании Sony Кадзуо Ивама, который скончался в 1982 году. Ведь именно он стоял у истоков начала производства ПЗС-матрицы в массовом объеме.

Не остался без внимания и вклад изобретателей CCD-матрицы, так в 2006 году Уиллард Бойл и Джордж Смит получили награду Национальной Инженерной Академии США за свои разработки в данной сфере, а в 2009-м году им вручили Нобелевскую премию по физике.

Принцип работы ПЗС-матрицы

CCD-матрица практически полностью выполнена из поликремния, который изначально был отделен от кремниевой подложки специальной мембраной. При подаче напряжения на мембрану посредством поликремневые затворы сильно изменяются электрические потенциалы, расположенные вблизи электродов проводника.

Перед экспонированием и подачей на электроды определенной мощности напряжения, происходит сброс всех зарядов, которые образовались ранее, а также наблюдается преобразование всех элементов в идентичное или первоначальное состояние.

Комбинация напряжений на электродах создает потенциальный запас или так называемую яму, где скапливаются электроны, появившиеся в определенном пикселе матрицы в процессе экспонирования под воздействием световых лучей. В зависимости от интенсивности силы светового потока находится и объем накопившихся электронов в потенциальной яме, поэтому чем она больше, тем выше будет мощность итогового заряда определенного пикселя.

После завершения экспонирования, последовательные изменения напряжения питания электродов происходят в каждом отдельно взятом пикселе, рядом с которым наблюдается распределение потенциалов, в результате чего заряды перемещаются в заданном направлении - к выходным пикселям ПЗС-матрицы.

Состав элементов CCD-матрицы

В общих чертах конструкция CCD-элемента может быть представлена в виде кремниевой подложки p-типа, снабженной каналами из полупроводника n-типа. Над данными каналами располагаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей мембраной из оксида кремния.

После подачи электрического потенциала на данные электроды, в ослабленной зоне под каналом n-типа возникает потенциальная ловушка (яма). Ее основной задачей является сохранение электронов. Частица света, попадающая в кремний, провоцирует генерацию электронов, которые притягиваются потенциальной ловушкой и остаются в ней. Большое количество фотонов или яркий свет обеспечивает мощный заряд ловушки, после чего необходимо рассчитать и усилить значение полученного заряда, который специалисты именуют фототоком.

Процесс считывания фототоков CCD-элементов осуществляется с так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые конвертируют строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данный поток импульсов собственно и является аналоговым сигналом, который поступает на усилитель.

Таким образом, в аналоговый сигнал можно преобразовать заряды строки из CCD-элементов с помощь регистра. На практике же последовательный регистр сдвига в CCD-матрицах выполняется посредством все тех же CCD-элементов, построенных в одну строку. При этом работа данного устройства основывается на умении приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ловушек. Такой процесс осуществляется за счет наличия специализированных электродов переноса, которые размещаются между соседними CCD-элементами. В момент подачи на ближайший электрод повышенного потенциала, при этом заряд переходит под него из потенциальной ямы. В то же время между CCD-элементами обычно располагаются два-четыре электрода переноса, от количества которых зависит фазность регистра сдвига, именуемого двухфазным, трёхфазным или четырёхфазным.

Подача разных потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что переход зарядов потенциальных ловушек всех CCD-элементов регистра выполняется практически одновременно. Так за один «шаг» переноса, CCD-элементы перемещают по цепочке заряды справа налево или слева направо. При этом крайний CCD-элемент отдаёт свой заряд усилителю, который расположен на выходе регистра. Таким образом, становится вполне очевидно, что последовательный регистр сдвига является устройством с последовательным выходом и параллельным входом.

После того, как завершается процесс считывания абсолютно всех зарядов из регистра появляется возможность подать на его вход новую строку, затем еще одну и так далее. В результате получается непрерывный аналоговый сигнал, в основе которого лежит двумерный поток фототоков. После этого, входной параллельный поток, поступающий на последовательный регистр сдвига, обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, именуемой параллельным регистром сдвига. Вся эта конструкция в собранном виде как раз и является устройством, именуемым сегодня CCD-матрицей.

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone ) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory ). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

Общее устройство и принцип работы

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции , тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя .

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселей у производителей разная.

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС : 1 - фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата ;
2 - ;
3 - R - красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера ;
4 - прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова ;
5 - оксид кремния;
6 - кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей - зона внутреннего фотоэффекта ;
7 - зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда ;
8 - кремниевая подложка p-типа .

Классификация по способу буферизации

Матрицы с полнокадровым переносом

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. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий- он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается - необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

Элемент ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой- хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства 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. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра- то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя - при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Матрицы с буферизацией кадра

Существует усовершенствованный 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, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame - transfer CCD). 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 экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания- строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами 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. Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров- не менее 30кадров секунду. Матрица с буферизацией столбцов Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline» (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй- чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).

Размеры матриц фотоаппаратов

Размеры матриц цифровых кинокамер

{lang: ‘ru’}

Продолжаю начатый в предыдущей публикации разговор об устройстве .

Одним из главных элементов цифрового фотоаппарата, отличающих его от фотоаппаратов пленочных является светочувствительный элемент, так называемый ЭОП или светочувствительная цифрового фотоаппарата . О матрицах фотоаппаратов уже говорилось , теперь же рассмотрим несколько подробнее устройство и принцип работы матрицы, хотя и достаточно поверхностно, чтобы не слишком утомлять читателя.

В настоящее время большинство цифровых фотоаппаратов оснащены ПЗС-матрицами.

ПЗС-матрица. Устройство. Принцип работы.

Рассмотрим в общих чертах устройство ПЗС- матрицы .

Полупроводники, как известно, делятся на полупроводники n-типа и p-типа. В полупроводнике n-типа имеется избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток положительных зарядов, «дырок» (а следовательно недостаток электронов). На взаимодействии таких двух типов полупроводников и основана вся микроэлектроника.

Так вот, элемент ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата устроен следующим образом. См. Рис.1:

Рис.1

Если не вдаваться в подробности, то ПЗС-элемент или прибор с зарядовой связью, в английской транскрипции: charge-coupled-device – CCD, представляет собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатор. Он состоит из подложки p-типа - слоя кремния, изолятора из двуокиси кремния и пластин-электродов. При подаче на один из электродов положительного потенциала, под ним образуется зона обедненная основными носителями - дырками, т. к. они оттесняются электрическим полем от электрода вглубь подложки. Таким образом под данным электродом образуется потенциальная яма, т. е. энергетическая зона благоприятная для перемещения в нее неосновных носителей – электронов. В этой яме накапливается отрицательный заряд. Он может храниться в данной яме достаточно долго из-за отсутствия в ней дырок и, следовательно, причин для рекомбинации электронов.

В светочувствительных матрицах электродами являются пленки поликристаллического кремния, прозрачного в видимой области спектра.

Фотоны падающего на матрицу света попадают в кремниевую подложку, образуя в ней пару дырка-электрон. Дырки, как сказано выше смещаются вглубь подложки, а электроны накапливаются в потенциальной яме.

Накопившийся заряд пропорционален количеству фотонов падающих на элемент, т. е. интенсивности светового потока. Таким образом на матрице создается зарядовый рельеф, соответствующий оптическому изображению.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

В каждом ПЗС-элементе имеется несколько электродов, на которые подаются разные потенциалы.

При подаче на соседний электрод (см. рис. 3) потенциала, большего, чем на данном электроде, под ним образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перемещается заряд из первой потенциальной ямы. Таким образом заряд может перемещаться из одной ПЗС-ячейки в другую. Показанный на рис.3 ПЗС-элемент называется трехфазным, бывают еще и 4-х фазные элементы.

Рис.4. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.

Для преобразования зарядов в импульсы тока (фототока) используются последовательные регистры сдвига (см. рис.4). Такой регистр сдвига и является строкой ПЗС-элементов. Амплитуда импульсов тока пропорциональна величине передаваемого заряда, и пропорциональна,таким образом, падающему световому потоку. Последовательность импульсов тока, образующихся при считывании последовательности зарядов, затем подается на вход усилителя.

Линейки близко расположенных друг к другу ПЗС-элементов объединяются в ПЗС-матрицу . Работа такой матрицы основывается на создании и передаче локального заряда в потенциальных ямах, создаваемых электрическим полем.

Рис.5.

Заряды всех ПЗС-элементов регистра синхронно перемещаются в соседние ПЗС-элементы. Заряд, который находился в последней ячейке, поступает на выход из регистра, а затем подается на вход усилителя.

На вход последовательного регистра сдвига подаются заряды перпендикулярно расположенных регистров сдвига, которые в совокупности называются параллельным регистром сдвига. Параллельный и последовательный регистры сдвига и составляют ПЗС-матрицу (см. рис.4).

Перпендикулярные к последовательному регистру сдвиговые регистры носят название столбцов.

Перемещение зарядов параллельного регистра строго синхронизовано. Все заряды одной строки смещаются одновременно в соседнюю. Заряды последней строки попадают в последовательный регистр. Таким образом за один рабочий цикл строка зарядов из параллельного регистра попадает на вход последовательного, освобождая место для вновь образуемых зарядов.

Работа последовательного и параллельного регистров синхронизуется тактовым генератором. В состав матрицы цифрового фотоаппарата также входит микросхема, подающая потенциалы на электроды переноса регистров и управляющая их работой.

ЭОП такого типа носит название полнокадровой матрицы (full-frame CCD-matrix). Для его работы необходимо наличие светонепроницаемой крышки, которая сначала открывает ЭОП для экспонирования светом, затем, когда на него попало количество фотонов, необходимое для накопления достаточного заряда в элементах матрицы, закрывает его от света. Такая крышка является механическим затвором, как в пленочных фотоаппаратах. Отсутствие такого затвора приводит к тому, что при перемещении зарядов в сдвиговом регистре ячейки продолжают облучаться светом, добавляя к заряду каждого пиксела лишние электроны, не соответствующие световому потоку данной точки. Это приводит к «размазыванию» заряда, соответственно к искажению получаемого изображения.

| ПЗС-матрица (Прибор с зарядовой связью ) или CCD-матрица (на англ. Charge-Coupled Device ) – это аналоговая интегральная микросхема, в состав которой входят светочувствительные фотодиоды, выполненные на основе кремния или оксида олова. Данная микросхема использует технологию ПЗС (Приборов с зарядовой связью).

История CCD-матрицы

Первый прибор с зарядовой связью был разработан в 1969 году Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs) в США. Разработки велись в области видеотелефонии (Picture Phone) и развитии актуальной в то время, «полупроводниковой пузырьковой памяти» (Semiconductor Bubble Memory). Вскоре приборы с зарядовой связью начали использоваться как устройства памяти, в которых можно было поместить заряд во входной регистр микросхемы. Но позднее способность элемента памяти устройства получать заряд за счет фотоэлектрического эффекта сделала применение CCD устройств основным.

В 1970 году исследователи Лаборатории Белла научились фиксировать изображения с помощью простейших линейных устройств.

Вскоре, под руководством Кадзуо Ивамы, компания Sony стала активно разрабатывать и заниматься CCD технологиями, вложив в это огромные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС-матриц для своих видео камер.

Кадзуо Ивама скончался в августе 1982 года. Для увековечения его вклада, микросхема ПЗС-матрицы была установлена на его надгробной плите.

В 2006 году за работы над CCD, Уиллард Бойл и Джордж Смит были награждены Национальной Инженерной Академией США (USA National Academy of Engineering).

Позднее, в 2009 году создатели были награждены Нобелевской премией по физике.

Принцип работы ПЗС-матрицы

CCD-матрица в основном состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки мембраной, у которой при подаче напряжения питания через поликремневые затворы сильно изменяются электрические потенциалы вблизи электродов проводника.

До экспонирования и подачей определённой комбинации напряжений на электроды, происходит сброс всех зарядов образовавшихся ранее и преобразование всех элементов в идентичное или первоначальное состояние.

Затем комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальный запас или яму, в которой накапливаться электроны, образовавшиеся в определенном пикселе матрицы в результате воздействия световых лучей при экспонировании. Чем интенсивней сила светового потока во время экспозиции, тем больше накапливается запас электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше мощность итогового заряда определенного пикселя.

После экспонирования, последовательные изменения напряжения питания на электродах формируются в каждом отдельно взятом пикселе и рядом с ним происходит распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным пикселям ПЗС-матрицы.

Пример пикселя CCD-матрицы с карманом n-типа

Примечание: архитектура субпикселей у каждого производителя своя.

Обозначения пикселя CCD на схеме:

1 - Частицы света (фотоны), прошедшие через объектив видеокамеры;
2 - Микролинза субпикселя;
3 - Красный светофильтр субпикселя (является фрагментом фильтра Байера);
4 - Светопропускающий электрод из оксида олова или поликристаллического кремния;
5 - Изолятор (состоит из оксида кремния);
6 - Специальный кремниевый канал n-типа. Зона внутреннего фотоэффекта (зона генерации носителей);
7 - Зона возможного запаса или ямы (карман n-типа). Место где собираются электроны из зоны генерации носителей;
8 - Кремниевая подложка p-типа.

Полнокадровый перенос CCD-матрицы

Полностью сформированное объективом видео изображение попадает на CCD-матрицу, то есть световые лучи падают на светочувствительную поверхность CCD-элементов, цель которых - преобразовать энергию частиц (фотонов) в электрический заряд.
Данный процесс протекает следующим образом.
Для фотона, попавшего на CCD-элемент, есть три варианта развития событий - он либо «отлетит» от поверхности, либо поглотится толщей полупроводника (состав материала матрицы), либо пробьет его поверхность. Поэтому от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от отражения и поглащения были бы минимизированы. Те же частицы, которые были поглощены CCD-матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло слабое взаимодействие с атомом кристаллической решётки полу проводника, или взаимодействие было с атомами донорских, либо акцепторных примесей. Оба из вышеперечисленных явлений называются - внутренним фотоэффектом. Но, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается – главное необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специализированном хранилище, а потом их считать.

Строение элементов CCD-матрицы

В общем виде конструкция CCD-элемента выглядит примерно так: кремниевая подложка p-типа снабжается каналами из полу проводника n-типа. Над этими каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей мембраной из оксида кремния. После подачи на этот электрод электрического потенциала, в ослабленной зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная ловушка (яма), задача которой - сохранить электроны. Частица света, проникающая в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ловушкой и «застревает» в ней. Огромное количество фотонов или яркий свет обеспечивает больший заряд ловушки. Потом надо считать значение полученного заряда, также именуемого фототоком, и затем усилить его.

Считывание фототоков CCD-элементов происходит с так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые конвертируют строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Созданная серия импульсов – это и есть аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Так, при помощи регистра возможно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из CCD-элементов. Практически, последовательный регистр сдвига в CCD-матрицах реализуется с помощью тех же CCD-элементов, объединённых в одну строку. Работа данного устройства базируется на умении приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ловувшек. Этот обмен происходит благодаря наличию специализированных электродов переноса (по англ. Transfer Gate), расположенных между соседними CCD-элементами. При подаче повышенного потенциала на ближайший электрод, заряд «мигрирует» под него из потенциальной ловушки. Между CCD-элементами обычно располагаются от двух до четырёх электродов переноса, и от их количества зависит фазность регистра сдвига, который также называется двухфазным, трёхфазным или четырёхфазным.

Подача разных потенциалов на электроды переноса синхронизирована так, что перетекание зарядов потенциальных ловушек всех CCD-элементов регистра происходит практически одновременно. Так за один цикл переноса, CCD-элементы передают по цепочке заряды справа налево или слева направо. А крайний CCD-элемент отдаёт свой заряд усилителю, размещенного на выходе регистра.

Итак, последовательный регистр сдвига это и есть устройство с последовательным выходом и параллельным входом. После считывания абсолютно всех зарядов из регистра возникает возможность подать на его вход новую строку, потом следующую и так сформировать непрерывный аналоговый сигнал в основе которых лежит двумерный массив фототоков. Затем, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая называется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в сборе как раз и является устройством, называемое CCD-матрицей.

Введение

В данной курсовой работе я рассмотрю общие сведения о приборах с зарядовой связью, параметры, историю создания, характеристики современных ПЗС-камер среднего инфракрасного диапазона.

В результате выполнения курсовой работы изучил литературу по созданию, принципу действия, технических характеристиках и применении ПЗС-камер среднего ИК диапазона.

ПЗС. Физический принцип работы ПЗС. ПЗС-матрица

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 .

Рисунок 1 - Структура ПЗС

Основные функциональные назначения фото-чувствительных ПЗС - преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации.

ПЗС изготовляют на основе монокристаллического кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрическая плёнка диоксида кремния. Этот процесс осуществляется таким образом, чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник - диэлектрик и минимизировать концентрацию рекомбинаций центров на границе. Электроды отдельных МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП-элементов 500-2000 в линейном и в матричном ПЗС; площадь пластины Под крайними электродами каждой строки изготовляют p- n - переходы, предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом (инжекция p- n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегированного поликристаллического кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-областях спектра.

Принцип работы ПЗС

Общий принцип работы 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 вглубь 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, либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода. 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.

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.

Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рисунке 2. В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения Uxp, оттесняющее основные носители - дырки в случае кремния р-типа - в глубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенциальные ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенциальные ямы, локализуются в тонком (0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4,7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.

зарядовый связь камера инфракрасный

Рисунок 2 - схема работы трёхфазного прибора с зарядовой связью - сдвигового регистра

Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела эти заряды будут накапливаться в потенциальных ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и так далее прикладывается, напряжение считывания, более высокое, чем напряжение хранения. Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. ямы, чем под электронами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5,7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенциальные ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до а с электродов 1, 4, 7 снимается.

Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам или поддерживается небольшое напряжение смещения (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинации эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний r- h-переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрических импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число 1- ИК приемники; 2- буферные элементы; 3 - ПЗС происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему и усиливаются обусловленные этим искажением информации. Чтобы избежать искажений накопленного видеосигнала из-за продолжающегося во время переноса освещения, на кристалле ФПЗС создают пространственно разделённые области восприятия - накопления и хранения - считывания, причём в первых обеспечивают максимальную фоточувствительность, а вторые, наоборот, экранируют от света. В линейном ФПЗС (рис. 3, а) заряды, накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из чётных элементов) и в регистр 3 (из нечётных). В то время, как по этим регистрам информация передаётся через выход 4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр. В ФПЗС с кадровым переносом (рисунок 3) информация, воспринятая матрицей накопления 7, быстро "сбрасывается" в матрицу хранения 2, из которой последовательно считывается ПЗС-регистром 3; в это же время матрица 1 накапливает новый кадр.

Рисунок 3 - накопление и считывание информации в линейном (a), матричном (б) фоточувствительном приборе с зарядовой связью и в приборе с зарядовой инжекцией.

Кроме ПЗС простейшей структуры (рисунок 1) получили распространение и другие их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами (рисунок 4), в которых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами, и приборы с асимметрией приповерхностных свойств (напр., слоем диэлектрика переменной толщины - рисунок 4), работающие в двухтактовом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объёмным каналом (рисунок 4), образованным диффузией примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объёме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинация центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значения и уменьшение по сравнению со всеми разновидностями ПЗС с поверхностным каналом.

Рисунок 4 - Разновидности приборов с зарядовой связью с поверхностным и объёмным каналами.

Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптического потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС - кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.