Фотоприёмные устройства на основе ФПЗС

Фотоприёмные
устройства на основе
ФПЗС
Определение
ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ.
CCD — Charge-Coupled Device). Общее
обозначение класса полупроводниковых
приборов, в которых применяется технология
управляемого переноса заряда в объеме
полупроводника.
Наиболее ярким представителем приборов
данного класса является ПЗС-матрица.
Предпосылки
Первыми приемниками такого типа были фотодиоды и уже на заре своего
появления они позволили сделать гигантский скачок в области регистрации
световых потоков и изображений. Достаточно упомянуть в качестве примера
удачную регистрацию с помощью фотодиода явления солнечного затмения,
наблюдавшегося берлинскими учеными в Египте в 1911 году.
С тех пор прошло много времени, фотодиоды совершенствовались, но их
основной недостаток — одноканальность, все же не позволил им найти
широкого применения. С конца 30-х годов среди светоприемников начали
появляться телевизионные трубки, завоевавшие к концу 70-х лидирующее
положение в этой области.
Было разработано сравнительно много приборов различных типов: ортиконы,
изоконы, секоны, видиконы, плюмбиконы (в телевизионном вещании трубки с
обратным пучком), кремниконы и суперкремниконы, диссекторы
(специализированные трубки с повышенной квантовой эффективностью) и т.д.
Все они имели ряд серьезных недостатков: большие размеры, низкую
квантовую эффективность (на уровне 5-10%), малый динамический диапазон и
т.д.
История
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.
В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых
линейных устройств.
Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители фотодиодов,
матриц фотодиодов. С наибольшим успехом ПЗС-матрицы регистрировали слабые световые
потоки в таких отраслях, как микробиофизика, химическая физика, ядерная физика,
астрофизика.
Впоследствии под руководством Кацуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно
заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство
ПЗС для своих видеокамер.
С 1975 года ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприёмников. А в
1989 году ПЗС-детекторы применялись уже почти в 97% всех телевизионных приемников. Для
сравнения, 10 годами ранее ПЗС были представлены всего двумя процентами.
История
Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема
ПЗС была установлена на его надгробной
плите для увековечения его вклада.
В январе 2006 года за работы над ПЗС У.
Бойл и Дж. Смит были удостоены награды
Национальной Инженерной Академии США
(англ. National Academy of Engineering).
В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были
награждены Нобелевской премией по
физике.
Принципы работы
ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки,
у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются
электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы
формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на
одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны
из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах
перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней
электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по
одной строке матрицы.
Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает»
к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на
выходе микросхемы.
У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов
каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства,
устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой
частоте сдвига.
Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть
электродов изготавливается прозрачной.
Схема субпикселей ПЗС-матрицы с
карманом n-типа)
Обозначения на схеме субпикселя ПЗС:
1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — Микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя
4 — Прозрачный электрод из поликристаллического
кремния или оксида олова;
5 — Изолятор (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;
8 — Кремниевая подложка p-типа;
Принцип работы
Принцип работы
Принцип работы
Генерирование зарядов в фотоприёмнике происходит не только
под воздействием света, но и вследствие воздействия
температуры. Ток в полупроводниковых фотоприёмниках
экспоненциально зависит от температуры и при большом
времени накопления для его подавления требуется понижение
температуры кристалла.
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 то что дефектные участки
приводят к негодности всего кристалла.
Применение
Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение их габаритов и
веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в эксплуатации
позволили применять их не только в профессиональных студиях, в научных
исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. Сегодня
телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях
производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту.
Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами
пиксела в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии,
микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной
микровидеотехники.
Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется несколькими
фирмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY,
Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. Хотелось бы поставить в один ряд с
этими мастодонтами и российскую фирму — Научно-производственное
предприятие “Силар” (бывший отдел по разработке твердотельных приемников
изображения ЦНИИ “Электрон”) из Санкт-Петербурга, которая является
единственным в России производителем ПЗС-матриц, применяемых в научных,
охранных и других целях.