Приймачі відображення на приладах із зарядовим зв'язком

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Факультет електроніки

Кафедра мікроелектроніки

Реферат з дисципліни «Функціональна електроніка»

на тему: «Приймачі відображення на приладах із зарядовим зв'язком»

Підготувала студентка 4 курсу

групи ДМ-21 Нікітюк Н.О.

Перевірив Іващук А.В.

Київ 2015



Зміст

Вступ

1. Прилади із зарядовим зв'язком: загальний опис

2. Як працює пристрій із зарядовим зв'язком

3. Фізичні явища

4. Математичний опис ефектів

5. Будова пристрою і технологія виготовлення

6. Основні параметри

7. Основні характеристики

8. Про світлові характеристики в деталях

9. Різноманіття приймачів відображення на ПЗЗ

10. ПЗЗ в сучасному світі: переваги, недоліки, перспективи

Висновок

Список літератури

пристрій зарядовий зв'язок фізичний



Вступ

Розвиток мікроелектронної технології дав можливість створити твердотільні матричні фотоелектричні перетворювачі зображень, які використовують у якості елементів матриць фотодіоди, фоторезистори, фототранзистори. Проте останнім часом переважно використовують у матричних перетворювачах прилади із зарядовим зв'язком (ПЗЗ). На їх основі створені матричні перетворювачі з числом елементів, які задовольняють потреби стандартів телебачення. [1]

Варто згадати і про медицину. Актуальність досліджень у цій галузі визначається постійним розширенням можливостей і підвищенням ефективності процедур. Сталим є стан, коли від 70 до 90 % усіх діагнозів потребують проведення досліджень з використанням методів променевої діагностики. Найчастіше результатом проведення променевого дослідження є зображення. Більша частка таких зображень - рентгенограми. Сьогодні актуальним завданням є подальше впровадження у практику рентгенівських відділень безплівкових технологій реєстрації, обробки та зберігання даних рентгенівських досліджень. При цьому особливу роль відіграють твердотільні цифрові приймачі рентгенівських зображень. Майже всі вони мають матричну будову. Часто як чутливий елемент цифрового приймача використовують прилади із зарядовим зв'язком (ПЗЗ).[2]

Принцип роботи ПЗЗ з ідеєю зберігати і потім зчитувати електронні заряди був розроблений співробітниками корпорації Bell у ході пошуку нових типів пам'яті для ЕОМ. Ідея виявилася неперспективною, але здатність кремнію реагувати на видиме світло привела до думки спробувати використати такий принцип для отримання і обробки зображень об'єктів.

Винахід ПЗЗ - 1969. Як свідчить історія, Джордж Сміт і Віллард Бойл працювали в Bell Labs. Група була зацікавлена в створенні нового виду напівпровідникової пам'яті для ЕОМ. Також великі надії тоді плекали в телефонній службі, якій були необхідні недорогі твердотільні камери. 17 жовтня 1969 Сміт і Бойл не тільки описали основну структуру і принципи роботи ПЗЗ - вони також передбачили їх вклад в обробку зображень, а також використання в елементах пам'яті. (рис.1)

Прихований канал ПЗЗ - 1974. Сміту і Бойлю також приписують винахід прихованого ПЗЗ каналу, який значно підвищує продуктивність вихідної поверхні каналу ПЗЗ. Як результат роботи дослідників Сміта і Бойля, Bell Labs в даний час готує багато відповідних патентів на прилади із зарядовим зв'язком.

Ранні розробки відеокамер - 1970 і 1975. Використовуючи ПЗЗ, дослідники Bell Labs побудували першу у світі твердотільну відеокамеру в 1970 році. У 1975 році вони продемонстрували першу твердотільну камеру з якістю зображення, яка є досить високою для телевізійного мовлення.

Спочатку ПЗЗ застосовувалися як більш ефективні багатоканальні замінники фотодіодів, матриць фотодіодів. З найбільшим успіхом ПЗЗ-матриці реєстрували слабкі світлові потоки в таких галузях, як мікробіофізіка, хімічна фізика, ядерна фізика, астрофізика.

З 1975 року ПЗЗ почали активно впроваджуватися в якості телевізійних світлоприймачів.

ПЗЗ замінила фотопластинки телескопів - 1983. На початку астрономи дивилися в телескопи самостійно. Пізніше фотопластинки і фотоплівки, як правило, взяли на себе велику частину серйозної роботи. У 1983 році телескопи вперше були оснащені ПЗЗ-камерами. За останні десять років ми отримує дивовижні картини завдяки ПЗЗ-матриці камери космічного телескопа Хаббл.

В 1989 році ПЗЗ-детектори застосовувалися вже майже в 97% всіх телевізійних приймачів. Для порівняння, 10 роками раніше ПЗЗ були представлені всього двома відсотками.

Цифрові фотоапарати вторгнулися на споживчий ринок - 1995. Про камери ПЗЗ чули уже давно. У 1991 Kodak випустила першу професійну цифрову камеру (DCS), спрямована на фотожурналістів. Це була Nikon F-3,35 мм, камера оснащена Kodak з 1,3 мегапіксельним ПЗЗ-сенсором. З 1995 року недорогі ПЗЗ дозволили використовувати камери у побуті, які повсюдно сьогодні.

2006 року Національна Академія інженерів (США) нагородила Вілларда Бойля (Willard Boyle) і Джорджа Сміта (George Smith) премією Чарльза Старка за внесок у винахід та дослідження ПЗЗ-структур в 1969 році.

У 2009 році обидва винахідники отримали Нобелівську премію по фізиці за розробку ПЗЗ-матриці, яка відкрила шлях цифровій фотографії та цифровому відео.

Довгий час широкому застосуванню ПЗЗ-приймачів в телевізійній техніці перешкоджали недоліки в технологіях виготовлення світлочутливих елементів - кристалічних основ необхідного розміру. Світлоприйомна область була неоднорідна по квантовому виходу, спостерігалася помітна геометрична нестабільність (плаваюча низька роздільна здатність), були присутні різного роду шуми як на малих масштабах (від пікселя до пікселу), так і на великих просторових масштабах (на шкалах 10-100 піксель).

Тільки з розвитком і вдосконаленням технології створення ПЗЗ і з істотним стрибком у розвитку супутніх електронних засобів і, насамперед, зі збільшенням потужностей і швидкодії АЦП, стало можливим більш широке застосування ПЗЗ.

Поставивши на конвеєр виробництво спочатку дорогих чіпів, багато фірм домоглися різкого зниження їх собівартості. Здешевлення телевізійних камер на основі ПЗЗ, зменшення їх габаритів і ваги, низьке енергоспоживання, простота і надійність в експлуатації дозволили застосовувати їх не тільки в професійних студіях, в наукових дослідженнях, в дорогих системах військового призначення. Сьогодні телекамери на основі ПЗЗ-матриць можна зустріти в найрізноманітніших областях виробництва, в різних сферах послуг, сервісу, в системах охорони, в побуті. Поява мініатюрних телекамер із застосуванням ПЗЗ-матриць з розмірами пікселя в декілька мікрон дали можливість застосовувати їх в мікрохірургії, мікробіології, мікровідеооптиці, що призвело до створення спеціальної мікровідеотехніки.

Сьогодні серійне виробництво ПЗС-матриць здійснюється декількома фірмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. [6]



1. Прилади із зарядовим зв'язком: загальний опис

Прилади із зарядовим зв'язком (ПЗЗ) являють собою систему взаємодіючих МДН-структур, розміщених на спеціальній напівпровідниковій підкладці. Взаємодія забезпечується малою відстанню між МДН-структурами, що становить величину близько 2 мкм.

Функціональні пристрої на основі МДН-структур мають великий відсоток статичних неоднорідностей у вигляді меж поділу двох середовищ, металевих електродів та з'єднань. Функціональні пристрої створюються технологічними методами інтегральної мікроелектроніки, тому їх можна вважати функціонально-інтегрованими системами.

ПЗЗ широко використовуються для приймання, обробки та відтворення інформації, в тому числі інформації у вигляді зображень завдяки поєднанню в одному приладі функцій фото чутливих і скануючих елементів. [3]

Прилад із зарядовим зв'язком - це пристрій для руху електричного заряду, як правило всередині системи до пристрою, де можна проводити якісь маніпуляції з зарядом, наприклад, оцифровувати його. Це досягається шляхом переносу сигналів поетапно всередині пристрою. Часто в пристрій інтегрований датчик зображення, який продукує сигнал, що потім може бути зчитанний. В результаті цього ПЗЗ стали основою для створення CCD (ПЗЗ) матриць. Прилади використовуються для детектування світла (фотометрія), а також в медичних та професійних цілях, де потрібні зображення з високою роздільною здатністю.

Використання ПЗЗ для фотометрії стало унікальним. По-перше, це двовимірний приймач, і одночасно з досліджуваним об'єктом астрономи отримують дані про велику кількість сусідніх зір, які потрібні для калібрування світності. Оскільки матриця виготовлена на основі міцного кремнієвого кристала, її часові параметри достатньо стабільні. Дуже важлива і чудова лінійність ПЗЗ. Іншими словами, число електронів, накопичене в пікселі, точно пропорційне числу фотонів, отриманих від світила, на відміну від фотоемульсій і телевізійних детекторів типу відікон. [4]

2. Як працює пристрій із зарядовим зв'язком

Принцип роботи ПЗЗ базується на властивостях структури метал-оксид-напівпровідник (МОН-структура), яка може збирати, накопичувати і зберігати зарядові пакети неосновних носіїв в локальних потенціальних ямах, що утворюються біля поверхні напівпровідника під дією електричного поля. Зарядові пакети утворюються під дією світла. (рис.2)

Рисунок 2 Утворення зарядових пакетів

Перенесення зарядових пакетів відбувається шляхом переміщення потенціальних ям в потрібному напрямку завдяки подачі на матрицю відповідним чином сформованих управляючих сигналів.(рис.3)

Під дією управляючих сигналів зарядові пакети від окремих елементів матриці переносяться на вихідний пристрій, що перетворює їх у відеосигнали. Вихідна ємність такого пристрою не перевищує 0,1 пФ, що покращує відношення сигнал/шум і сприяє підвищенню чутливості перетворювача.

Елемент матриці можна розглядати як комірку регістра зсуву, в яку сигнал вводять оптичним способом,а виводять з допомогою електричних сигналів. Послідовність таких комірок утворює рядок розкладу зображення, а сукупність рядків утворюють растр.

Сигнали управління - це синхронізовані імпульсні послідовності, амплітуда, форма і часові характеристики яких визначають напрям руху потенціальних ям і зарядових пакетів, тривалість фаз утворення зарядових пакетів і їх перенесення до вихідного пристрою.

Рисунок 3 Послідовність роботи ПЗЗ-елемента

Фотоелектричні перетворювачі зображення на ПЗЗ виготовляються у вигляді лінійок чи матриць, останні є твердотільними аналогами передавальних трубок. Звичайний матричний перетворювач складається з двох секцій - фотоприймальної секції накопичення і секції зберігання, така ж, як і секція накопичення, але захищена від світла. Накопиченні заряди фотоприймальної секції під час зворотнього ходу кадрової розгортки переносяться в секцію збереження. Під час накопичення наступного кадра заряди попереднього кадра із секції збереження рядок за рядком з допомогою регістра зсуву передаються на вихідний пристрій, що перетворює їх у відеосигнали. Такий спосіб зчитування інформації називають покадровим зчитуванням, його широко використовують в практиці.[1]

Наглядний приклад роботи ПЗЗ полягає в наступному: деяка кількість кошиків (пікселі) розподілені вздовж поля (фокальна площина пристрою) на квадратній матриці. Кошики розміщені на вершинах паралельних конвеєрних стрічок і наповнюються краплями дощу по всьому полю (фотони). Поки дощ повільно заповнює кошики, конвеєрні стрічки (лінії) залишаються нерухомими (під час опромінення). Після того як дощ закінчується (подача світла припиняється), конвеєрні стрічки починають рухатися і виливають заповнені кошики один за одним в мірний циліндр (електронний підсилювач) в кутах по краях поля (на краях ПЗЗ). (рис.4) [5]

Рисунок 4 Наглядний приклад роботи ПЗЗ



3. Фізичні явища

З фізичної точки зору ПЗЗ цікаві тим, що електричний сигнал в них представлений не струмом або напругою, як у більшості інших твердотільних приладах, а зарядом. При відповідній послідовності тактових імпульсів напруги на електродах МДН-конденсаторів зарядові пакети можна переносити між сусідніми елементами приладу. Тому такі прилади і названі приладами з переносом заряду або із зарядним зв'язком.

В основі роботи ПЗЗ лежить явище внутрішнього фотоефекту. Коли в кремнії поглинається фотон, то генерується пара носіїв заряду - електрон і дірка. Електростатичне поле в області пікселя "розносить" цю пару, витісняючи дірку в глиб кремнію. Неосновні носії заряду, електрони, будуть накопичуватися в потенційній ямі під електродом, до якого підведено позитивний потенціал. Тут вони можуть зберігатися досить тривалий час, оскільки дірок в збідненої області немає і електрони не рекомбінують.

Носії, згенеровані за межами збідненої області, повільно рухаються - дифундують і, зазвичай, рекомбінують з граткою перш ніж потраплять під дію градієнта поля збідненої області. Носії, згенеровані поблизу збідненої області, можуть дифундувати в сторони і можуть потрапити під сусідній електрод. У червоному і інфрачервоному діапазонах довжин хвиль ПЗЗ мають роздільну здатність гіршу, ніж у видимому діапазоні, так як червоні фотони проникають глибше в кристал кремнію і зарядовий пакет розмивається.

Заряд, накопичений під одним електродом, в будь-який момент може бути перенесений під сусідній електрод, якщо його потенціал буде збільшений, у той час як потенціал першого електрода, буде зменшений. Перенесення в трифазному ПЗЗ можна виконати в одному з двох напрямків (вліво або вправо, по рис.5). Всі зарядові пакети лінійки пікселів будуть переноситися в ту ж сторону одночасно. Двовимірний масив (матрицю) пікселів отримують за допомогою стоп-каналів, які поділяють електродну структуру ПЗЗ на стовпці. Стоп-канали - це вузькі області, сформовані спеціальними технологічними прийомами в приповерхневої області, які перешкоджають розтіканню заряду під сусідні стовпці. [6]

Рисунок 5 Перенос зарядів в трифазному ПЗЗ

Для ПЗЗ характерні два режими роботи: збереження і передача зарядових пакетів.(рис.6) [7]

Рисунок 6 Зонна діаграма для ПЗЗ в режимі збереження: а - в перший момент після включення; б - в стаціонарному стані; 1 - метал; 2 - діелектрик; 3 - збіднена область; 4 - нейтральна область напівпровідника



4. Математичний опис ефектів

ПЗЗ елементи у формувачів відеосигналів працюють утрьох режимах: сприйняття (інтегрування) зображення, тобто перетворення світлового потоку на зарядові пакети, розміщених в потенційних ямах під затворами; зберігання зарядових пакетів; передача(сканування) зарядових пакетів на вихід пристрою.

При опроміненні інтенсивність світла на глибині напівпровідника визначається законом:

де - коефіцієнт поглинання; - інтенсивність світла,що падає на поверхню напівпровідника.

Якщо квантовий вихід - число електронно-діркових пар, що виникли завдяки одному поглиненому кванту , то інтенсивність генерації носіїв заряду становитиме:[3]

Відомі виробники ПЗЗ датчиків зображень завжди пропонують варіанти ввімкнень ПЗЗ і описують штатні режими роботи приладів. У разі зміни штатних режимів, зокрема збільшення часу кадру в два-три рази, виникає значна нелінійність у передачі яскравості за кадром (передусім рівня чорного), що ускладнює процес утворення єдиного зображення. Цей ефект можна пояснити неузгодженістю системи компенсації неефективності перенесення з нелінійним зростанням темнового струму за збільшеним часом кадру. А саме: кожне перенесення заряду з однієї потенціальної ями в іншу у процесі зчитування супроводжується втратою частини зарядів унаслідок неповного перенесення за обмежений час. За n перенесень залишається заряд:

q_n ? q₀ ?1? ?? ⁿ (3)

де q₀ - заряд, що накопичився у комірці до перенесення; ? - коефіцієнт неефективності

перенесення; n = km; k - кількість фаз керування; m - кількість комірок уздовж напрямку перенесення.[2]

5. Будова пристрою і технологія виготовлення

Прилад із зарядовим зв'язком (ПЗЗ) - інтегральна схема, що представляє собою сукупність МДН-структур, сформованих на загальній напівпровідникової підкладці так, що смужки електродів утворюють лінійну або матричну регулярну структуру. Відстані між сусідніми електродами настільки малі, що істотним стає їх взаємовплив внаслідок перекриття областей просторового заряду поблизу країв сусідніх електродів.(рис.7)

Рисунок 7 Структура пристрою з зарядовим зв'язком (фрагмент): 1 - кристал кремнію; 2 - вхід-вихід; 3 - металічні електроди; - діелектрик

ПЗЗ виготовляють на основі монокристалів. кремнію. Для цього на поверхні кремнієвої пластини методом термічного окислення створюється тонка (0,1-0,15 мкм) діелектрична плівка діоксиду кремнія SiO₂. Цей процес здійснюється так, щоб забезпечити досконалість кордону розділу напівпровідник - діелектрик і мінімальну концентрацію рекомбінаційних центрів на кордоні.

Електроди окремих МДН-елементів виробляються з алюмінію, їх довжина становить 3-7 мкм, проміжок між електродами приблизно дорівнює 0,2-3 мкм. Типове число МДН-елементів 500-2000 в лінійному і 10⁴ - 10⁶ в матричному ПЗЗ; площа пластини приблизно 1 см². Під крайніми електродами кожного рядка виготовляють p-n -переходи, призначені для введення - виведення порції зарядів (зарядових пакетів) електричним способом (інжекція p-n-переходом).

При фотоелектричному введенні зарядових пакетів ПЗЗ висвітлюють з фронтального або тильного боку. При фронтальному освітленні, щоб уникнути затінюючої дії електродів, алюміній зазвичай заміняють плівками сильнолегованого полікристалічного кремнію (полікремнію), прозорого у видимій та ближній ІЧ-областях спектра.

Для сприйняття кольорових зображень використовують один з двох способів: поділ оптичного потоку за допомогою призми на червоний, зелений, синій, сприйняття кожного з них спеціальним ФПЗЗ(фото чутливий пристрій із зарядовим зв'язком) - кристалом, змішування імпульсів від всіх трьох кристалів у єдиний відеосигнал; створення на поверхні ФПЗЗ плівкового штрихового або мозаїчного кодового світлофільтру, що утворює растр з різнокольорових тріад.

Для сприйняття зображень в ІЧ-області спектра розвиваються три напрями: легування кремнію домішками (In, Ga, Ті та ін.) та використання домішкового фотоефекту; розробка ФПЗЗ на вузькозонних напівпровідникових з'єднаннях (наприклад, на In, Sb для діапазону Dl = 3-5 мкм); створення гібридних структур, що поєднують фоточутливу мішень, наприклад, на кристалі HgCdTe, і кремнієві ПЗЗ-регістри, що забезпечують зчитування інформації, що накопичується в мішені.[8]

Основа пристрою - електричний конденсатор типу МОН.(рис.8-9)

Рисунок 8 Будова МОН-елемента: 1 - металевий електрод; 2 - діелектрик; 3 - напівпровідник р-типу; 4 -потенціальна яма, що сформувалася біля площини розділу між діелектриком та напівпровідником під впливом прикладеного до електрода імпульсу позитивної напруги

Рисунок 9 МОН-елемент

6. Основні параметри

Основними параметрами ПЗЗ є:

- амплітуди керуючих імпульсів - 5-20 В;

- відносні втрати заряду при одному перенесенні - 10^-3 - 10^-5 ;

- максимальна тактова частота - f_такт = 10-100 МГц;

- максимальна і мінімальна густини зарядового пакета - Qn _max=50нКл/см²;

Qn _min=50пКл/см² ;

- динамічний діапазон - D = 60-80 дБ;

- густина темнового струму - 10^-10 - 10^-9 А/см².

Для характеристики ФПЗЗ крім перерахованих вище параметрів вказуються

- спектральний діапазон - Dl = 0,4-1,1 мкм;

- фоточутливість - S_ф = 0,1-0,5 А / Вт;

- максимум і мінімум експозиції - Н_max ? 300нДж/см²; H_min ? 300пДж/см²;

- роздільна здатність - r = 10-50 ліній / мм. [8]

7. Основні характеристики

В електронних фотокамерах застосовують матриці або чіпи (від англійського chip - пластинка) ПЗЗ невеликого розміру, наприклад 6,6 х 8,8 мм, 7,8 х 14 мм або 18,5 х 27,5 мм і інші, кількість пікселів при цьому може коливатися від 5x 105 до 16x106, причому чим більше їх кількість по горизонталі і вертикалі, тим вище дозвіл фотокамери, більш різке зображення і більш м'які колірні переходи.

Основними характеристиками твердотільних перетворювачів зображення на ПЗЗ є:

- спектральна чутливість;

- світлова характеристика;

- роздільна здатність;

- квантова ефективність;

- динамічний діапазон;

- відношення сигнал/шум;

- оптичний формат;

- кількість пікселів матриці.

Область спектральної чутливості (Sensitivity) ПЗЗ приймачів займає значну частину оптичного діапазону, від ультрафіолету до ближнього інфрачервоного випромінювання. При використанні ПЗЗ в фотометрії особливо популярний діапазон 400 -- 1050 нм. Спектральна чутливість зростає в частині спектру, де хвилі мають велику довжину (800-900 нм), проте помітно падає в короткохвильовій частині (біля 400 нм).(рис.10)

Рисунок 10 Характеристики спектральної чутливості деяких перетворювачів

Світлова характеристика ПЗЗ-перетворювача є лінійною в робочому діапазоні освітленості. Початковий сигнал визначається темновим струмом, що обумовлений тепловою генерацією неосновних носії заряду. При високому рівні освітленості наступає режим насичення, що проявляється у повному заповненні потенціальних ям неосновними носіями заряду. На зображенні, що відтвориться, це буде видно у вигляді «розпливання» картинки. (рис.11)

Рисунок 11 Світлова характеристика ПЗЗ

Роздільна здатність залежить від кількості елементів матриці та освітлення зображення. Для збільшення чутливості (при малих рівнях освітленості) слід використовувати охолодження елементів ПЗЗ. (рис.12) [1]

Рисунок 12 Залежність роздільної здатності від освітленості для деяких конфігурацій перетворювача: а-для ПЗЗ без підсилювача, б- ПЗЗ з однокаскадним підсилювачем, с- ПЗЗ з двокаскадним підсилювачем

Квантова ефективність (Quantum Efficiency) - це відношення числа зареєстрованих фотонів до їх загального числа, що потрапило на світлочутливу область матриці. Цей параметр має дуже високе значення для ПЗЗ-датчиків - у кращих зразків він досягає 95%. Для порівняння, квантова ефективність людського ока складає близько 1%, а високоякісних фотоемульсій не більше 3%.

Динамічний діапазон (Dynamic Range) - це відношення максимального вихідного сигналу датчика до його власного рівня шуму. Цей параметр вказується, як правило, в дБ. Людське око має дуже великий динамічний діапазон - близько 200 дБ. Жоден штучний прилад не має такого високого значення цього параметра.

Під відношенням сигнал/шум (S/N ratio) розуміється величина, рівна відношенню корисного відеосигналу до рівня шуму, виражена в дБ. Прийнятним відношенням сигнал/шум вважається величина не менше 50 дБ.

Кількість пікселів матриці (Array Format). Цей параметр характеризує роздільну здатність датчика. Чим більше пікселів, тим більш деталізованим буде зображення. Роздільна здатність визначається двома способами. По-перше, можна підрахувати загальне число пікселей (наприклад, якщо воно становить 1,5 мільйона, говорять про 1,5-мегапіксельну камеру). По-друге, можна вказати кількість стовпців і рядків ПЗЗ-матриці, що беруть участь у формуванні зображення (скажімо, 1360х1020) - це максимальний розмір кадру у пікселях, тобто число активних пікселів, які використовуються для одержання зображення. Різниця між цими двома показниками зазвичай не перевищує 5%. Існує кілька причин такої розбіжності. По-перше, в процесі сенсора створюються «темні», дефектні пікселі (створення повністю справного сенсора практично неможливо при існуючих технологіях). По-друге, деякі пікселі використовуються для інших цілей, наприклад, для калібрування сигналів сенсора. По-третє, на частину пікселів по краях світло не потрапляє. Ці пікселі допомагають визначити фоновий шум, який потім буде відніматися з сигналів активних пікселів.

Оптичний формат (Optical format). Оптичний формат - це розмір діагоналі активної області матриці фотоелементів в дюймах і приймає значення: 1'', 2/3'',1/2", 1/3", 1/4". Матриці великого формату 1", 2/3'' практично перестали випускатися, оскільки камери на їх основі виходять дуже громіздкими і дорогими. Останні моделі ПЗЗ - матриць фірми "Sony" мають формат 1/4''. На основі таких матриць деякі фірми випускають надмініатюрні камери. Але чим менший розмір матриці, тим менша чутливість (через малу площу пікселів) і при цьому ж вноситься більший рівень шумів, погіршуючи якість зображення. Розмір матриці важливий при визначенні кута огляду камери. З однаковими об'єктивами камера на основі матриці 1/2" має більший кут огляду, ніж камера з матрицею 1/3". [9]

9. Про світлові характеристики в деталях

Спектральна характеристика (СХ) ПЗЗ визначається, причому мультиплікативно, двома чинниками - проходженням світла через електродну структуру і фотогенерацією, викликаною поглинанням світла безпосередньо в напівпровіднику (внутрішній квантовий вихід).

Поглинання світла в напівпровіднику описується коефіцієнтом поглинання - величи- ною, зворотною довжині, на якій інтенсивність випромінювання падає в е раз. Далі, фотогенерацію викликають тільки фотони з енергією, що перевищує ширину забороненої зони - близько 1,2 еВ (що відповідає довжині хвилі трохи більше 1,05 мкм - це ближній ІЧ діапазон). Фотони з більшою довжиною хвилі просто не поглинаються і відповідно не дають вкладу у вихідний сигнал, а довжина ~ 1,05 мкм виявляється червоною межею фотоефекту в кремнії. При зменшенні довжини хвилі коефіцієнт поглинання поступово росте; так, при ? = 1 мкм світло затухає в е раз на 100 мкм, при ? = 0,7 мкм (червоний колір) - на 5 мкм, а при ? = 0,5 мкм (зелено-блакитний) - на 1 мкм. Глибина збідненого шару (глибина, на яку поширюється електричне поле затвора вглиб напівпровідника) - близько 5 мкм. Ясно, що для світла, яке цілком поглинається усередині цього шару (при довжині хвилі менше приблизно 0,6 мкм), внутрішній квантовий вихід буде майже 100%, так як відбувається миттєвий поділ електронно-діркових пар електричним полем. Для більш довгих хвиль значна частка фотонів поглинається в нейтральній підкладці, звідки носії можуть потрапити в потенціальні ями тільки завдяки тепловой дифузії - на що шансів тим менше, чим глибше утворився кожен конкретний електрон. Треба ще врахувати, що сама підкладка за своїми властивостями неоднорідна. Так, практично всі прилади виготовляються на епітаксіальних підкладках з товщиною епітаксіального шару 10-20 мкм. Нижче, в об'ємі, рівень легування кремнію в сотні разів вище, ніж в епітаксіальному шарі. У цьому випадку час життя вільних носіїв поза епітаксіального шару надзвичайно малий, і вони просто не встигають потрапити в потенційніальні ями. Це ще більше знижує внутрішній квантовий вихід ПЗЗ для довгохвильової ділянки спектру.

Для дуже малих довжин хвиль (менше 270 нм) енергія фотонів достатня для генерації двох електронно-діркових пар, так що для них внутрішній квантовий вихід, на перший погляд, може перевищувати 100%. На жаль, немає у світі досконалості, і межа розділу оксид- кремній - яскравий тому приклад. При малих довжинах хвиль коефіцієнт поглинання стає настільки великим, а довжина поглинання настільки маленькою, що стає суттєвим внесок поверхневої рекомбінації, тобто тільки що утворені пари встигають рекомбінувати, не встигаючи розділитися. Так що в області малих довжин хвиль внутрішній квантовий вихід теж падає, хоча і не до нуля.

Варто проаналізувати пропущення світла електродною структурою. Видно по рис. 13а, де схематично зображено перетин ПЗЗ, світло, потрапляючи в напівпровідник, проходить через кілька шарів з різними оптичними характеристиками, так що неминуча його інтерференція, так що товщина цих шарів співрозмірна з довжиною хвилі. Спектральна характеристика ПЗЗ досить химерна.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 Розріз трифазного ПЗЗ з електродами з полікристалічного кремнію (вгорі) і з віртуальною фазою (внизу). Близько половина площі осередку є вільною від полікремнію

Далі, полікристалічний кремній, з якого зроблені електроди, абсолютно непрозорий в області довжин хвиль до 430-450 нм (синій і фіолетовий кольори). У підсумку спектральна характеристика звичайного трифазного ПЗЗ з полікремнієвими затворами виглядає так, як показано на рис. 14 червоною лінією.

Рисунок 14 Спектральні характеристики абсолютного квантового виходу: червоним - звичайного ПЗЗ; жовтим - з люмінофорним покриттям; зеленим - з освітленням зі зворотної сторони підкладки; синім - з віртуальною фазою

Використання світлодіодів значно покращує спектральну характеристику ПЗЗ, особливо в короткохвильовій частині спектра, оскільки зникають проблеми, пов'язані з електродами. Саме ця обставина дозволяє таким приладам успішно працювати в мовних і побутових камерах кольорового телебачення. У камерах прикладного та наукового напрямків застосовуються зовсім інші підходи.

Найпростіший - нанесення люмінофора, спеціальної речовини, прозорого для довгих хвиль, але який перетворює короткохвильове світло в кванти з більшою довжиною хвилі. Цей прийом дозволяє розширити спектральну характеристику ПЗЗ в синю і УФ область спектру (на рис. 14 показано жовтим кольором), не захоплюючи, втім, середньо- і довгохвильову частину характеристики. Крім того, у ряді застосувань, особливо в астрономії, потрібне глибоке охолодження приладів, яке люмінофорне покриття не витримує.

Другий спосіб, мабуть, найбільш трудомісткий і дорогий, але саме він дозволяє добитися фантастичних результатів. Полягає він у тому, що кристал ПЗЗ, вже після виготовлення, тоншає до товщини 10 мкм і менше (і це при розмірі кристала в кілька сантиметрів!), А світло падає на зворотну сторону підкладки, оброблену спеціальним чином. При настільки тонкій підкладці носії встигають дістатися до потенційних ям (нагадаємо, що вони простягаються на глибину до 5 мкм), а повна відсутність яких-небудь електродів гарантує, що практично все світло, за винятком втрат на віддзеркалення, проникає в кремній. Квантова ефективність таких матриць (зелена крива на рис. 14) досягає іноді 90%, а спектральний діапазон охоплює від 180 до 950 нм. Саме такі матриці, незважаючи на дорожнечу, застосовуються в більшості серйозних астрономічних проектах, включаючи космічний телескоп "Хаббл" або недавно побудовану Південноєвропейську Обсерваторію в Чилі з декількома 8-м телескопами.

І третій спосіб покращення спектральних характеристик ПЗЗ - віртуальна фаза, спосіб, запропонований в 1980 році Ярославом Хінечеком, який у той час працював у фірмі Texas Instruments, для американського проекту Galileo по запуску космічного апарата до Юпітера. Суть цього способу в тому, що один з електродів звичайного ПЗЗ замінюється на малий шар p-типу (віртуальний затвор) безпосередньо на поверхні кремнію, замкнутий на стоп-канали (сам Хінечек модифікував двофазний ПЗС). Доза каналу під віртуальним затвором робиться більше, ніж під тактовими затворами. Структура з віртуальним затвором, замкнутим на підкладку, з точки зору каналу переносу не відрізняється від стану фіксації в звичайному ПЗЗ з прихованим каналом. Якщо до того ж вибрати дозу легування каналу в області віртуальної ями належним чином, то потенціал каналу в ній буде середнім між ямою і бар'єром під тактовими електродами, так що умови для тактованого переносу заряду зберігаються. [10]

8. Різноманіття приймачів відображення на ПЗЗ

Найбільш поширеними у світі є лінійки ПЗЗ - як для зчитування одновимірних зображень (наприклад, штрих-коди), так і в системах, де є механічна розгортка по одній координаті. Найпростіші приклади - телефакс і сканер. Менш очевидні застосування - системи спостереження за земною поверхнею з космічних апаратів або літаків, де використовується рух самого апарату відносно Землі. (рис.15)

Рисунок 15 ПЗЗ потужного телескопа

Як правило, накопичувальними елементами в ПЗЗ-лінійках служать фотодіоди; по обидві сторони від лінійки накопичувальних елементів розташовуються регістри зчитування (відповідно для парних і непарних елементів - білінійна організація). Номенклатура лінійок, що зараз випускаються, досить широка, а число фоточутливих елементів коливається від 1024 до 12000.

Різновидом приладів для систем з механічною розгорткою є прилади з ТЗН - тимчасовою затримкою і накопиченням. Їх організація тотожна односекційним ПЗЗ з КП (кадровим переносом), але відрізняються вони режимом тактування по вертикалі: секція тактується безперервно, причому тактова частота підбирається так, що швидкість переміщення потенційного рельєфу дорівнює швидкості переміщення зображення; при цьому кожен елемент зображення дає вклад в один і той же зарядовий пакет, що, очевидно, збільшує чутливість ВЗН в порівнянні зі звичайними лінійками в стільки разів, скільки рядків. Саме прилади з ВЗН широко застосовуються в космічній апаратурі для спостереження за земною поверхнею. Число рядків в таких приладах коливається від 64 до 256, а число елементів по горизонталі - від 1024 до 8192. (рис.16)

Рисунок 16 На передньому плані - пристрій з віртуальною фазою для мало кадрових прецизійних схем (з охолодженням). Справа - датчик з розширенням 25Мпікс (розмір кристала 5х5 см). На задньому плані - корпус для 111-мегапікссельної матриці

Можна згадати і деякі екзотичні конструкції приймачів зображения на ПЗЗ. Одна з них - це збірки з декількох кристалів, змонтовані на спільну основу з мінімальними проміжками між фоточутливими областями. Такий підхід застосовується для отримання приймачів зображення великої площі і високого розширення, що необхідно для великих телескопів (у тому числі космічного базування). Велику групу являють собою приймачі зображення рентгенівського діапазону. (рис.17)

Рисунок 17 Рентгеночутливий ПЗЗ. Загальна довжина приладу - 22 см

Основна область застосування таких приймачів - медицина (рентгеноскопія). Для отримання рентгенівської чутливості до фоточутливої області кристала приклеюють оптоволоконну планшайбу, на верхню поверхню якої наноситься шар конвертера - речовини, що перетворює рентгенівське випромінювання у видиме світло. Найчастіше це двоокис гадолінію або йодистий цезій. Оптоволоконна планшайба, з одного боку, захищає саму структуру ПЗЗ від деградації під дією рентгенівського випромінювання, а з іншого - гарантує паралельний перенос отриманого оптичного зображення на площину власне ПЗЗ без втрати дозволу. Оскільки фізичні розміри таких приладів за необхідності повинні бути великими (для панорамної цефалометрії або мамографії розміри приладів - порядку 22-27 см; це перевищує розмір пластин, з яких виготовляються кристали), то такі прилади теж збирають з декількох кристалів, змонтованих на загальну основу.

Мініатюрні розміри ПЗЗ-датчиків дозволяють використовувати їх і в медичних ендоскопах (приладах для безпосереднього спостереження внутрішніх органів). Традиційно такі ендоскопи представляли собою оптоволоконний джгут, який вводиться, наприклад, в шлунок людини через стравохід або у вену через розріз в судині. Однак роздільна здатність таких пристроїв була недостатньою, і їх застосування було досить важким як для лікарів, так і для пацієнтів. ПЗЗ кардинально спростили ендоскопічні системи: тепер на кінці ендоскопа монтується безпосередньо телекамера, а джгут - це лише кілька дротів управління датчиком і вихідний відеосигнал. Більше того, існують конструкції ПЗЗ, на яких на одному кристалі формується стереоскопічне зображення! Ідея, що покладена в такий прилад, дуже витончена. Якщо подивитися на малюнок ПЗЗ з мікрорастром і уявити, що одна лінзочки такого мікрорастра припадає не на один, а на два сусідні елементи, тоді на один з них припадає світло, що пройшло через праву половину лінзи, на інший - через ліву. Оскільки кожна половинка відхиляє світловий пучок, причому в різні боки, то вийде, що парні елементи рядка "бачать" світло, що прийшло з одного напрямку, а непарні - з іншого. Цим і досягається ефект стереоскопічного зору. [10]

9. ПЗЗ в сучасному світі: переваги, недоліки, перспективи

Основу будь-якої системи телевізійного спостереження становлять телекамери. У конструкції відеокамери можна виділити наступні основні функціональні системи: перетворювач світло-сигнал; синхронізації; автоматичного регулювання посилення; електронний затвор; автоматичної установки балансу чорного; гамма-корекції; зйомки при низьких рівнях освітленості; об'єктив з автоматичною діафрагмою. Функція зйомки при низьких рівнях освітленості (LOLUX) чудова тим, що дозволяє знімати майже в темноті. При цьому можна одержати прекрасне зображення з гарним колірним балансом без збільшення рівня шуму. Найважливішим елементом конструкції відеокамери є перетворювач ” світло-сигнал”, що забезпечує кодування зображення, що знімається, у формі електричних сигналів. Перетворювачі світло-сигнал являють собою або передавальної електронно-променеві ТВ трубки (еЛТ), або твердотільні матриці - так звані “прилади із зарядовим зв'язком” (ПЗЗ).

Передавальними ТВ трубками оснащені застарілі моделі відеокамер або відеокамери спеціального призначення. У сучасних відеокамерах, як правило, застосовуються матриці ПЗЗ, що забезпечують більшу надійність роботи при досить високих параметрах.

Впровадженню камер на ПЗЗ сприяли їхні безсумнівні переваги:

- відсутність громіздких котушок, що відхиляють, і інших, властивих еЛТ елементів конструкції, дозволило в значній мірі знизити розміри й масу камер на ПЗС у порівнянні зі своїми попередниками;

- помітно спростилася вся схемотехніка ТВ камер і, як наслідок, приблизно наполовину знизилася споживана від джерела харчування потужність.

- приблизно вдвічі підвищилася чутливість ТВ камер. Їхня робота стала стабільніша, на неї перестали впливати типові для камер на еЛТ збої в роботі, пов'язані з такими зовнішніми факторами, як струс, вібрації, відхід параметрів у процесі експлуатації й при змінах температури.

- для камер на ПЗЗ, на відміну від трубкових аналогів, характерно також відсутність «післязображення» (інерційність мішені). [1]

Однак у ПЗЗ є і свої проблеми. Найсерйозніша з них - специфічна, ні на що не схожа технологія виготовлення і надзвичайно жорсткі вимоги до однорідності вихідного кремнію і ступеня досконалості технологічного процесу. Якщо при виробництві цифрових приладів розкид параметрів по пластині може досягати декількох відсотків без помітного впливу на параметри одержуваних приладів (оскільки робота йде з дискретними рівнями напруги), то в ПЗЗ зміна, скажімо, концентрації легуючої домішки на 10% вже помітна на зображенні. Свої проблеми додає і розмір кристала, і неможливість резервування, як в БІС, пам'яті, так що дефектні ділянки призводять до псування всього кристала. Специфічним обмеженням є і властивий їм за принципом дії послідовний вивід інформації, тоді як у ряді застосувань (наприклад, оптичні системи наведення або пристрою орієнтації космічних апаратів) зручніше мати датчики з довільним запитом. [10]



Висновок

Не можна сказати, що зараз ПЗЗ досягли досконалості, хоча за минулі роки в технології їх виготовлення і був досягнутий приголомшливий прогрес. Діапазон випущених пристроїв охоплює як мініатюрні матриці з кроком елементів приблизно 2х2 мкм (в дешевих фотоапаратах), так і гігантські кристали з розширенням 10,5 тис.х 10,5 тис. елементів і розміром кристала приблизно 10х10 см - 111 мегапікселів на одному кристалі. Збираючи кілька великих матриць один до одного на спільну основу, можна отримувати датчики з еквівалентним розширенням в кілька гігапікселів (в астрономії). Саме так виходять гігантські фокальні масиви для надвеликих наземних телескопів останнього покоління.

Все це призвело до того, що в останні роки помітний інтерес проявляється до так званих приладів з активною коміркою (APS - active pixel sensors), що виготовляються за стандартною КМОП-технологією. Такі датчики вперше були запропоновані Лабораторією реактивного руху (JPL) при NASA.

Безсумнівною перевагою КМОП-датчиків є максимально наближена до "стандартної" технологія виготовлення, а також можливість розміщення на одному кристалі не тільки самого приймача зображення, але і схем обробки сигналу, і навіть аналого- цифрових перетворювачів. Тобто такі пристрої фактично являють собою однокристальну цифрову камеру. Саме висока ступінь інтеграції, притаманна КМОП- датчикам, сприяла їх широкому поширенню в недорогих пристроях, де якість зображення не так критична в порівнянні з габаритами і простотою, - наприклад, веб- камери або вбудовані камери мобільних пристроїв. Зараз КМОП- прилади швидко прогресують, і в даний час вже з'явилися повідомлення про випуск "наукових КМОП-датчиків" з розширенням в кілька мегапікселів і з шумом всього 2 електрона. Повнорозмірними (24х36 мм) КМОП-датчиками оснащуються навіть деякі моделі високоякісних напівпрофесійних фотокамер - наприклад, DCS Pro 14n виробництва компанії Kodak або EOS-1Ds (Canon).

Безумовно, приймачі відображення на ПЗЗ не будуть повністю витісненими з світового ринку. І ПЗЗ, і КМОП-датчики будуть мати місце, але в різних галузях. Можливо, незабаром вчені зможуть винайти щось нове, що буде поєднувати переваги обох пристроїв.



Список літератури

1. Абакумов В.Г. Системы отображения в медицине. К.: Юніверс, 2001. 336 с.

2. Невгасимий А.О. Алгоритм компенсації рівня чорного//Електроніка та системи управління. 2009. №3(21). С. 44-47.

3. Кравченко О.П. Фізичні основи функціональної мікроелектроніки: Навч. посібник. К.: Либідь, 1993. 216 с.

4. інтернет ресурс: www.uk.wikipedia.org/wiki/Прилад_із_зарядовим_зв%27язком.

5. інтернет ресурс: www.specinst.com/What_Is_A_CCD.html.

6. Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приьоры с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы.

інтернет ресурс: www.ess.ru/sites/default/files/files/articles/1999/04/1999_04_05.pdf.

7. інтернет ресурс:

www.activephysic.ru/fizicheskie_osnovi_raboti_i_konstruktsii_priborov_s_zaryadovoy_svyazyu-602-1.html.

8. інтернет ресурс: www.femto.com.ua/articles/part_2/3076.html.

9. Неуймін О.С., Дяченко С.М. ПЗЗ-матриці//Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування. 2010. №41. С. 182-190.

10. Л.Лазовский. Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир. інтернет ресурс: www.shadrin.rudtp.ru/Classic/Lazovsky/Lazovsky_CCD.pdf.

Размещено на Allbest.ru