Рассуждения о телевизионных камерах. Приборы с зарядовой связью (ПЗС). Принцип работы ПЗС

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.

Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах (да – да, была и такая память). Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.

Начнем с расшифровки термина.

Аббревиатура ПЗС означает "Приборы с Зарядовой Связью" - этот термин образовался от английского "Сharge-Сoupled Devices" (CCD).

Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.

Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?

Во-первых , таких светочувствительных площадок (часто их называют пикселами - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды) в ПЗС-приемнике очень много, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон. Пиксели могут быть выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, или ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей.

Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.

Во-вторых , в ПЗС-приёмнике, внешне похожем на обычную микросхему, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС-приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.

Действие ПЗС можно описать следующим образом: каждый светочувствительный элемент - пиксель - работает как копилка для электронов. Электроны возникают в пикселях под действием света, пришедшего от источника. В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света, как ведро, выставленное на улицу во время дождя. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются. Все это возможно за счет определенной структуры кристалла, где размещаются светочувствительные элементы, и электрической схемы управления.

Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.

Кратко о физике процесса.

Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям так называемой функциональной электроники, Их нельзя представить как совокупность отдельных радиоэлементов - транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. В основе работы лежит принцип зарядовой связи. Принцип зарядовой связи использует два известных из электростатики положения:

1. одноимённые заряды отталкиваются,
2. заряды стремятся расположиться там, где их потенциальная энергия минимальна. Т.е. грубо – «рыба ищет там, где глубже».

Для начала представим себе МОП-конденсатор (МОП - сокращение от слов металл-окисел- полупроводник). Это то, что остаётся от МОП-транзистора, если убрать из него сток и исток, то есть просто электрод, отделённый от кремния слоем диэлектрика. Для определённости будем считать, что полупроводник - p-типа, т. е. концентрация дырок в равновесных условиях много (на несколько порядков) больше, чем электронов. В электрофизике «дыркой» называют заряд, обратный заряду электрона, т.е. положительный заряд.

Что будет, если на такой электрод (его называют затвором) подать положительный потенциал? Электрическое поле, создаваемое затвором, проникая в кремний сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки; возникает обеднённая область - некоторый объём кремния, свободный от основных носителей. При параметрах полупроводниковых подложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм. Напротив, электроны, возникшие здесь под действием света, притянутся к затвору и будут накапливаться на границе раздела окисел-кремний непосредственно под затвором, т. е. сваливаются в потенциальную яму (рис. 1).

Рис. 1
Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору

При этом электроны по мере накопления в яме частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и в конце концов могут полностью его скомпенсировать, так что всё электрическое поле будет падать только на диэлектрике, и всё вернётся в исходное состояние - за тем исключением, что на границе раздела образуется тонкий слой электронов.

Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один затвор, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 2). Если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если она «глубже».
Рис. 2
Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов. Заряд перетекает в то место, где потенциальная яма глубже.

Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Замечательное свойство ПЗС - свойство самосканирования - состоит в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовых шин. (Термин шина в электронике - проводник электрического тока, соединящиий однотипные элементы, тактовая шина - проводники по которым передается смещенное по фазе напряжение.) Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трёх электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причём одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3).

Рис. 3
Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.
Заряд в каждой потенциальной яме разный.

Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС. Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 4.

Рис. 4
Тактовые диаграммы управления трёхфазным регистром -- это три меандра, сдвинутые на 120 градусов.
При смене потенциалов происходит передвижение зарядов.

Видно, что для его нормальной работы в каждый момент времени, по крайней мере, на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и, по крайней мере, на одной - низкий потенциал (потенциал барьера). При повышении потенциала на одной шине и понижении его на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы, и за полный цикл (один такт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов на один элемент регистра.

Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются так называемые стоп-каналы - узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (рис. 5).

Рис. 5.
Вид на регистр "сверху".
Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп-каналами.

Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме.

Проблемы

Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.

Итог

Разные пикселы ПЗС матрицы технологически имеют разную чувствительность к свету и эту разницу необходимо корректировать.

В цифровых КМА эта коррекция называется системой Auto Gain Control (AGC)

Как работает система AGC

Для простоты рассмотрения не будем брать что-то конкретное. Предположим, что на выходе АЦП узла ПЗС есть некие потенциальные уровни. Предположим, что 60 - средний уровень белого.

1. Для каждого пикселя линейки ПЗС считывается значение при освещении его эталонным белым светом (а в более серьезных аппаратах – и считывание «уровня черного»).
2. Значение сравнивается с опорным уровнем (например, средним).
3. Разница между выходным значением и опорным уровнем запоминается для каждого пиксела.
4. В дальнейшем, при сканировании эта разница компенсируется для каждого пиксела.

Инициализация системы AGC производится каждый раз при инициализации системы сканера. Наверное, вы замечали, что при включении машины через какое-то время каретка сканера начинает совершать поступательно-возвратные движения (елозить у ч/б полоски). Это и есть процесс инициализации системы AGC. Система так же учитывает и состояние лампы (старение).

Так же Вы наверняка обращали внимание, что малые МФУ, снабженные цветным сканером, «зажигают лампу» тремя цветами по очереди: красным, синим и зеленым. Затем только подсветка оригинала зажигается белым. Это сделано для лучшей коррекции чувствительности матрицы раздельно по каналам RGB.

Тест полутонов (SHADING TEST) позволяет инициировать эту процедуру по желанию инженера и привести значения корректировки к реальным условиям.

Попробуем рассмотреть все это на реальной, «боевой» машине. За основу возьмем широкоизвестный и популярный аппарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Необходимо отметить, что в нашем случае CCD становится CIS (Contact Image Sensor), но суть происходящего в корне от этого не меняется. Просто в качестве источника света используются линейки светодиодов.

Итак:

Сигнал изображения от CIS имеет уровень около 1,2 В и поступает на АЦП-секцию (САЦП) контроллера аппарата (САЦП). После САЦП аналоговый сигнал CIS будет преобразован в 8-битовый цифровой сигнал.

Процессор обработки изображения в САЦП прежде всего использует функцию коррекции тона, а затем функцию гамма-коррекции. После этого данные подаются на различные модули в соответствии с режимом работы. В режиме Text данные изображения поступают на модуль LAT, в режиме Photo данные изображения поступают на модуль "Error Diffusion", в режиме PC-Scan данные изображения поступают прямо на персональный компьютер через доступ DMA.

Перед осуществлением тестирования положите на стекло экспонирования несколько чистых листов белой бумаги. Само собой разумеется, что оптика, ч/б полоса и вообще узел сканера изнутри должны быть предварительно «вылизаны»

1. Выберите в TECH MODE
2. Нажмите кнопку ENTER (Ввод) для сканирования изображения.
3. После сканирования будет распечатан "CIS SHADING PROFILE" (профиль полутонов CIS). Пример такого листа приведен ниже. Не обязательно, что он должен быть копией Вашего результата, но близок по изображению.
4. Если распечатанное изображение сильно отличается от изображения, показанного на рисунке, значит CIS неисправен. Обратите внимание – внизу листа отчета написано “Results: OK”. Это означает, что система серьезных претензий к модулю CIS не имеет. В противном случае будут даны результаты ошибок.

Пример распечатки профиля:

Удачи Вам!!

За основу взяты материалы статей и лекций преподавателей СПбГУ (ЛГУ), СПбЭТУ (ЛЭТИ) и Axl. Спасибо им.

Материал подготовлен В. Шеленбергом

Матрица является главным структурным элементом фотоаппарата и одним из ключевых параметров, принимаемых во внимание пользователем при выборе фотокамеры. Матрицы современных цифровых фотоаппаратов можно классифицировать по нескольким прознакам, но основным и наиболее распространенным всеже является деление матриц по методу считывания заряда , на: матрицы CCD типа и CMOS матрицы. В данной статье мы рассмотрим принципы работы, а также достоинства и недостатки этих двух типов матриц, так как именно они повсеместно используются в современных фото- и видеотехнике.

CCD матрица

Матрицу CCD называют еще ПЗС-матрицей (Приборы с Зарядовой Связью). ПЗС матрица представляет собой прямоугольную пластину светочувствительных элементов (фотодиодов), расположенных на полупроводниковом кристалле кремния. В основе принципа ее действия лежит построчное перемещение зарядов, которые накопились в прорехах, образованных фотонами в атомах кремния. То есть, при столкновении с фотодиодом, фотон света поглощается и при этом выделяется электрон (происходит внутренний фотоэффект). В результате образуется заряд, который нужно как-то сохранить для дальнейшей обработки. Для этой цели в кремниевой подложке матрицы встроен полупроводник, над которым располагается прозрачный электрод из поликристаллического кремния. И в результате подачи на данный электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под полупроводником образуется так называемая потенциальная яма, в которой и хранится полученный от фотонов зарад. При считывании с матрицы электрического заряда осуществляется перенос зарядов (хранящихся в потенциальных ямах) по электродам переноса к краю матрицы (последовательный регистр сдвига) и в сторону усилителя, который усиливает сигнал и передает его в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), откуда преобразованный сигнал направляется в процессор, который обрабатывает сигнал и сохраняет полученное изображение на карту памяти.

Для изготовления ПЗС-матриц используются поликремневые фотодиоды. Такие матрицы отличаются небольшими размерами и позволяют получать достаточно качественные фотографии при съемке с нормальным освещением.

Преимущества ПЗС-матриц :

1. Кконструкция матрицы обеспечивает высокую плотность размещения фотоэлементов (пикселей) на подложке;
2. Высокая эффективность (отношение зарегистрированных фотонов к их общему числу, составляет около 95%);
3. Высокая чувствительность;
4. Хорошая цветопередача (при достаточном освещении).

Недостатки ПЗС-матриц:

1. Высокий уровень шума на высоких ISO (на низких ISO, уровень шума умеренный);
2. Низкая скорость работы в сравнении с CMOS-матрицами;
3. Высокое энергопотребление;
4. Более сложная технология считывания сигнала, так как необходимо много управляющих микросхем;
5. Производство обходится дороже чем CMOS-матриц.

CMOS матрица

Матрица CMOS , или КМОП-матрица (Комплементарные Металл-Оксидные Полупроводники) использует активные точечные сенсоры. В отличие от ПЗС-матриц, КМОП-матрица содержат отдельный транзистор в каждом светочувствительном элементе (пикселе) в результате чего преобразование заряда выполняется непосредственно в пикселе. Полученный заряд может быть считан из каждого пикселя индивидуально, поэтому отпадает необходимость переноса заряда (как это происходит в ПЗС-матрицах). Пиксели КМОП-матрицы интегрируется непосредственно с аналогово-цифровым преобразователем или даже с процессором. В результате применения такой рациональной технологии происходит экономия энергии за счет сокращения цепочек действий по сравнению с матрицами CCD, а также удешевление устройства за счет более простой конструкции.

Краткий принцип работы КМОП-матрицы: 1) Перед съемкой на транзистор сброса подается сигнал сброса. 2) Во время экспозиции свет проникает через линзу и фильтр на фотодиод и в результате фотосинтеза в потенциальной яме накапливается заряд. 3) Считывается значение полученного напряжения. 4) Обработка данных и сохранение изображения.

Преимущества КМОП-матриц :

1. Низкое энергопотребление (особенно в ждущих режимах);
2. Высокое быстродействие;
3. Требует меньше затрат при производстве, благодаря схожести технологии с производством микросхем;
4. Единство технологии с другими цифровыми элементами, что позволяет объединить на одном кристале аналоговую, цифровую и обрабатывающую части (т.е. кроме захвата света в пикселе можно преобразовать, обработать и очистить сигнал от шума).
5. Возможность произвольного доступа к каждому пикселю или группе пикселей, что позволяет уменьшить размер захваченного изображения и увеличить скорость считывания.

Недостатки КМОП-матриц:

1. Фотодиод занимает малую площать пикселя, в результате получается низкая светочувствительность матрицы, но в современных КМОП-матрицах этот минус практически устранен;
2. Наличие теплового шума от нагревающихся транзисторов внутри пикселя в процессе считывания.
3. Относительно большие размеры, фтооборудование с таким типом матриц отличается большим весом и размерами.

Кроме вышеупомянутых типов, существуют еще трехслойные матрицы, каждый слой которых представляет собой CCD. Отличие состоит в том, что ячейки могут одновременно воспринимать три цвета, которые образуются дихроидными призмами при попадании на них пучка света. Затем каждый пучок направляется на отдельную матрицу. В результате яркость синего, красного и зеленого цветов определяется на фотоэлементе сразу. Трехслойные матрицы применяют в видеокамерах высокого уровня, которые имеют специальное обозначение - 3CCD .

Подводя итоги хотелось бы отметить, что с развитием технологий производства CCD и CMOS матриц, меняются и их характеристики, поэтому все сложнее сказать какая из матриц однозначно лучше, но при этом в последнее время в производстве зеркальных фотокамер все большей популярностью пользуются КМОП-матрицы. На основе характерных особенностей различных видов матриц, можно составить четкое представление, почему профессиональная фототехника, обеспечивающая высокое качество съемок, довольно громоздкая и тяжелая. Эту информацию обязательно следует помнить при выборе фотоаппарата - то есть, учитывать физические размеры матрицы, а не количество пикселей.

Твердотельные фотоэлектрические преобразователи (ТФЭП) изображений являются аналогами передающих ЭЛТ.

ТФЭП ведут начало с 1970г., с так называемых ПЗС и формируются на основе отдельных ячеек, представляющих собой конденсаторы МДП- или МОП-структуры. Одной из обкладок такого элементарного конденсатора является металлическая пленка М, второй – полупроводниковая подложка П (p - или n -проводимости), диэлектриком Д служит полупроводник, наносимый в виде тонкого слоя на подложку П. В качестве подложки П применяется кремний, легированный акцепторной (p -типа) или донорной (n -типа) примесью, а в качестве Д – окисел кремния SiO 2 (см. рис.8.8).

Рис. 8.8. Конденсатор МОП-структуры

Рис. 8.9. Перемещение зарядов под действием электрического поля

Рис. 8.10. Принцип работы трехфазной системы ПЗС

Рис. 8.11. Перемещение зарядов в двухфазной системе ПЗС

При подаче на металлический электрод напряжения, под ним образуется «карман» или потенциальная яма, в которой могут «скапливаться» неосновные носители (в нашем случае электроны), а основные носители, дырки, будут отталкиваться от М. На каком-то расстоянии от поверхности, концентрирование неосновных носителей может оказаться выше концентрации основных. Вблизи диэлектрика Д в подложке П возникает инверсионный слой, в котором тип проводимости изменяется на обратный.

Зарядовый пакет в ПЗС может быть введен электрическим путем или с помощью световой генерации. При световой генерации фотоэлектрические процессы, возникающие в кремнии, приведут к накоплению неосновных носителей в потенциальных ямах. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления . Направленная передача заряда в ПЗС обеспечивается расположением МОП-конденсаторов на столь близком расстоянии друг от друга, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соединяются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма.

Пусть под воздействием света накоплен заряд под электродом U 1 (см. рис.8.9). Если теперь на соседний электрод U 2 подать напряжение U 2 > U 1 , то рядом появится другая потенциальная яма, более глубокая (U 2 > U 1). Между ними возникнет область электрического поля и неосновные носители (электроны) будут дрейфовать (перетекать) в более глубокий «карман» (см. рис.8.9). Чтобы исключить двунаправленность в передаче зарядов, используют последовательность электродов, объединенных в группы по 3 электрода (см. рис.8.10).

Если, например, накоплен заряд под электродом 4 и необходимо передать его вправо, то на правый электрод 5 подается более высокое напряжение (U 2 > U 1) и заряд перетекает к нему и т.д.

Практически вся совокупность электродов подсоединена к трем шинам:

I – 1, 4, 7, …

II – 2, 5, 8, …

III – 3, 6, 9, …

В нашем случае напряжение «приема» (U 2) будет на электродах 2 и 5, но электрод 2 отделен от электрода 4, где хранится заряд, электродом 3 (у которого

U 3 = 0), поэтому перетекания влево не будет.

Трехтактная работа ПЗС предполагает наличие трех электродов (ячеек) на один элемент ТВ-изображения, что уменьшает полезную площадь, используемую световым потоком. Для сокращения числа ячеек (электродов) ПЗС металлические электроды и слой диэлектрика формируются ступенчатой формы (см. рис.8.11). Это позволяет при подаче на электроды импульсов напряжения создавать под разными его участками потенциальные ямы разной глубины. В более глубокую яму стекает большинство зарядов из соседней ячейки.

При двухфазной системе ПЗС сокращается число электродов (ячеек) в матрице на одну треть, что благоприятно сказывается на считывании потенциального рельефа.

ПЗС вначале предлагали использовать в вычислительной технике в качестве запоминающих устройств, регистров сдвига. В начале цепочки ставили инжектирующий диод, вводящий в систему заряд, а в конце цепи – выводной диод, обычно это n-p- или p-n- переходы МОП структуры, образующие с первым и последним электродами (ячейками) цепочки ПЗС полевые транзисторы.

Но скоро выяснилось, что ПЗС очень чувствительны к свету, и поэтому их лучше и эффективнее использовать в качестве светоприемников, а не в качестве запоминающих устройств.

Если ПЗС-матрица используется в качестве фотоприемника, то накопление заряда под тем или иным электродом может быть осуществлено оптическим методом (инжекция светом). Можно говорить, что ПЗС-матрицы по сути своей являются светочувствительными аналоговыми сдвиговыми регистрами. Сегодня ПЗС не используются в качестве запоминающих устройств (ЗУ), а только в качестве фотоприемников. Они используются в факсимильных аппаратах, сканерах (линейки ПЗС), в фотокамерах и видеокамерах (матрицы ПЗС). Обычно в ТВ камерах используются так называемые ПЗС-чипы.

Мы предполагали, что все 100% зарядов передаются в соседний карман. Однако на практике приходится считаться с потерями. Одним из источников потерь является «ловушки», способные захватывать и удерживать некоторое время заряды. Эти заряды не успевают перетечь в соседний карман, если скорость передачи будет велика.

Второй причиной является сам механизм перетекания. В первый момент перенос зарядов происходит в сильном электрическом поле - дрейф в Е . Однако по мере перетекания зарядов напряженность поля падает и дрейфовый процесс затухает, поэтому последняя порция перемещается за счет диффузии, в 100 раз медленнее дрейфа. Дождаться последней порции – значит снизить быстродействие. Дрейф дает более 90% переноса. Но именно последние проценты являются основными при определении потерь.

Пусть коэффициент передачи одного цикла переноса равен k = 0,99, полагая число циклов равным N = 100, определим суммарный коэффициент передачи:

0,99 100 = 0,366

Становится очевидным, что при большом числе элементов даже незначительные потери на одном элементе приобретают большое значение для цепочки в целом.

Поэтому вопрос о сокращении числа переносов зарядов в матрице ПЗС является особо важным. В этом отношении у матрицы двухфазной ПЗС коэффициент передачи зарядов будет несколько большим, чем в трехфазной системе.

Что такое ПЗС-матрица?

Немного истории

В качестве приёмника света раньше использовались фотоматериалы: фотопластинки, фотоплёнка, фотобумага. Позже появились телевизионные камеры и ФЭУ (фото-электрический умножитель).
В конце 60-х - начале 70-х годов начали разрабатываться так называемые "Приборы с Зарядовой Связью", что сокращённо пишется как ПЗС. На английском языке это выглядит как "charge-coupled devices" или сокращённо - CCD. В принципе ПЗС-матриц лежал факт, что кремний способен реагировать на видимый свет. И этот факт привёл к мысли что этот принцип может использоваться для получения изображений светящихся объектов.

Астрономы были одними из первых, кто распознал экстраординарные способности ПЗС для регистрации изображений. В 1972 году группа исследователей из JPL (Лаборатория Реактивного Движения, США) основала программу развития ПЗС для астрономии и космических исследований. Три года спустя, совместно с учеными Аризонского университета, эта команда получила первое астрономическое ПЗС изображение. На снимке Урана в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью полутораметрового телескопа были обнаружены темные пятна возле южного полюса планеты, свидетельствующие о наличии там метана...

Применение ПЗС-матриц на сегодняшний день нашло широкое применение: цифровые фотокамеры, видеокамеры; ПЗС-матрица как фотокамеры стало возможным встраивать даже в мобильные телефоны.

Устройство ПЗС

Типичное устройство ПЗС (рис.1): на полупроводниковой поверхности находится тонкий (0.1-0.15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов (из металла или поликристаллического кремния). Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами столь малы, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений.

Рис. 1. Принципиальное устройство ПЗС-матрицы.

На рис. 1 символами С1, С2 и С3 обозначены МОП-конденсаторы (металл-окисел-полупроводник).

Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение U, то в МДП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо процессов (например, тепловых) или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела полупроводник-диэлектрик и локализоваться в узком инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.
В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются.

Размер светочувствительного пикселя матриц составляет от одного-двух до нескольких десятков микрон. Размер же кристаллов галоидного серебра в светочувствительном слое фотопленки колеблется от 0.1 (позитивные эмульсии) до 1 микрона (высокочувствительные негативные).

Одним из основных параметров матрицы является, так называемая, квантовая эффективность. Это название отражает эффективность преобразования поглощенных фотонов (квантов) в фотоэлектроны и схоже фотографическому понятию светочувствительности. Поскольку энергия световых квантов зависит от их цвета (длины волны), невозможно однозначно определить сколько электронов родится в пикселе матрицы при поглощении им например потока из ста разнородных фотонов. Поэтому квантовая эффективность обычно дается в паспорте на матрицу как функция от длины волны, и на отдельных участках спектра может достигать 80%. Это гораздо больше, чем у фотоэмульсии или глаза (примерно 1%).

Какие бывают ПЗС-матрицы?

Если пиксели выстроены в один ряд, то приемник называется ПЗС-линейкой, если же участок поверхности заполнен ровными рядами - тогда приемник называется ПЗС-матрицей.

ПЗС-линейка имела широкий круг применения в 80-х и 90-х годах для астрономических наблюдений. Достаточно было провести изображение по ПЗС-линейке и оно появлялось на мониторе компьютера. Но это процесс сопровождался многими трудностями и поэтому в настоящее время ПЗС-линейки всё больше вытесняются ПЗС-матрицами.

Нежелательные эффекты

Одним из нежелательных побочных эффектов переноса заряда на ПЗС-матрице, который может мешать наблюдениям, являются яркие вертикальные полосы (столбы) на месте ярких зон изображения небольшой площади. Также к возможным нежелательным эффектам ПЗС-матриц можно отнести: высокий темновой шум, наличие "слепых" или "горячих" пикселей, неравномерность чувствительности по полю матрицы. Для уменьшения темнового шума используют автономное охлаждение ПЗС-матриц до температур -20°С и ниже. Либо же снимается темновой кадр (например с закрытым объективом) с такой же длительностью (экспозицией) и температурой, с какими был произведён предыдущий кадр. Впоследствии специальной программой на компьютере вычитается темновой кадр из изображения.

Телевизионные камеры на базе ПЗС-матриц хороши тем, что они дают возможность получать изображения со скоростью до 25 кадров в секунду с разрешением 752 x 582 пикселей. Но непригодность нектороых камер этого типа для астрономических наблюдений состоит в том, что в них производителем реализуются внутренние предобработки изображения (читать - искажения) для лучшего восприятия получаемых кадров зрением. Это и АРУ (автоматизированная регулировка управления) и т.н. эффект "резких границ" и прочие.

Прогресс…

В целом, использование ПЗС-приемников значительно удобнее, чем использование нецифровых приемников света, поскольку полученные данные сразу оказываются в виде, пригодном для обработки на компьютере и, кроме того, скорость получения отдельных кадров очень высока (от нескольких кадров в секунду до минут).

В настоящий момент быстрыми темпами развивается и совершенствуется производство ПЗС-матриц. Увеличивается количество "мегапикселей" матриц - количества отдельных пикселей на единицу площади матрицы. Улучшается качество изображений получаемых с помощью ПЗС-матриц и т.д.

Использованные источники:
1. 1. Виктор Белов. С точностью до десятых долей микрона.
2. 2. С.Е.Гурьянов. Знакомьтесь - ПЗС.