Твердотельные фотоэлектрические преобразователи

Микроминиатюризация ТВ передающей аппаратуры сильно тормозится использованием в качестве преобразователя свет-сигнал электровакуумных приборов, обладающих достаточно большими габаритами и сложной системой управления электронным лучом. Развитие твердотельной технологии и технологии тонкопленочных покрытий позволило разработать твердотельные матричные фотоэлектрические преобразователи. Разработанные в 1969 г. приборы с зарядовой связью (ПЗС) позволили создать твердотельные ФЭП с числом элементов разложения, соответствующим стандарту ТВ вещания.

В основе ПЗС лежат свойства структуры металл - окисел-проводник, способной собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты не основных носителей в локализованных потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника под действием электрического поля. Зарядовые пакеты возникают под действием светового излучения, а переносятся путем управляемого перемещения потенциальных ям в требуемом направлении. Таким образом, ПЗС работает как аналоговый сдвиговый регистр, способный собирать, накапливать и хранить зарядовую информацию. Основным достоинством является последовательный перенос зарядовой информации от элементов к единственному выходному устройству, преобразующему зарядовые пакеты в сигнал изображения, в результате чего формируется жесткий растр.

Рис. 3.7. Конденсатор МОП-структуры

Основу ПЗС составляют конденсаторы МОП структуры(рис. 3.7) одной из обкладок, которого служит металлический электрод, второй – полупроводниковая подложка, диэлектриком служит слой двуокиси кремния толщиной 0.01 мм. В полупроводнике дырочного типа основными носителями являются дырки, поэтому если приложить к металл электроду положительный потенциал, то дырки будут отталкиваться в глубь полупроводника и под электродами образуется область обедненная носителями – потенциальная яма, глубина которой зависит от напряжения на затворе, степени легирования полупроводника и толщины окисла. Т.о. изменяя U затвора можно эффективно управлять глубиной потенциальной ямы, однако, время жизни потенциальной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации не основных носителей заряда (ННЗ), т.к. в кремнии всегда генерируются пары электрон-дырка. Под действием электрического поля основные носители зарядов (ОНЗ) «отгоняются» в толщину, а ННЗ постепенно заполняют яму. Это паразитный процесс, а время заполнения ямы называется временем релаксации.

В настоящее время в продаже нет ни одной телевизионной камеры с электровакуумными преобразователями. На всех камерах можно увидеть три буквы ССD (Charge-Coupled Device), что в переводе означает прибор с зарядовой связью.

В настоящее время в камерах используется три вида ПЗС:

1. Матрицы с покадровым переносом (международная аббревиатура FT);

2. Матрицы с построчным переносом (IT);

3. Матрицы с построчно-кадровым переносом (FIT).

Самые первые матрицы FT были предложены фирмой RCA. Ее устройство и принцип работы показаны на рисунке 3.8. Она состоит из двух одинаковых по объему секций: секции накопления и закрытой от света секции хранения. Изображение передаваемого объекта с помощью объектива проецируется на секцию накопления. Здесь в каждом МОП конденсаторе накапливаются заряды, пропорциональные их освещенности. Время накопления зарядов называется временем экспонирования, и оно соответствует прямому ходу кадровой развертки. Во время обратного хода по кадру накопленные заряды переносятся в секцию хранения. К началу следующего прямого хода по кадру в секции накопления не останется зарядов предыдущего кадра и начнется накопление информации о следующем кадре. А из секции хранения начнется вывод зарядов предыдущего кадра: во время обратного хода по строке (строчный гасящий импульс) заряды одной строки переходят в сдвиговый регистр, а во время прямого хода (активная часть строки) выводятся через преобразователь заряд-напряжение.

Рисунок 3.8. Структура FT матрицы

Таким образом, пока в секции накопления накапливается информация о текущем кадре, из секции хранения выводится информация о предыдущем. И к концу прямого хода по кадру (времени экспонирования) секция хранения окажется пустой и готовой принять заряды текущего кадра.

Недостатком матриц типа FT является обязательное наличие обтюратора, который необходим для перекрывания света, падающего на секцию накопления во время переноса зарядов в секцию хранения. Это вызвано тем, что конденсаторы, участвующие в этом переносе так же являются и сигнальными, т.е. преобразуют световой поток в заряды. Если не прекратить доступ света, к верхним по рисунку зарядам будут добавляться заряды от нижних конденсаторов. Изображение на приемном конце будет смазано по вертикали.

Из-за этого в настоящее время FT матрицы применяются только в одной линейке камер фирмы Philips.

Наибольшую роль в совершенствовании ПЗС сыграла фирма Sony, уже в первой своей камере на ПЗС она использовала IT матрицы. На рисунке 3.9 показана IT матрица с таким же разрешением, как и FT на рисунке 3.8.

Матрица IT имеет сгруппированные в столбцы светочувствительные ячейки и регистры переноса зарядов (секция накопления и секция хранения пространственно объединены). Последние закрыты от доступа света. Отличие в работе от предыдущей матрицы составляет только движение зарядов во время обратного хода по вертикали. Здесь заряды делают только один шаг и оказываются закрытыми от доступа света.

Рисунок 3.9. IT матрица

Отсюда и ее достоинство перед предыдущей матрицей – нет необходимости в обтюраторе. Матрицы IT используются в большинстве выпускаемых в настоящее время телевизионных камер.

Матрицы с построчным переносом подвержены влиянию ярких элементов изображения. Оно проявляется в вертикальных тянущихся продолжениях за яркими элементами изображения (вертикальные столбцы). Дело в том, что во время накопления зарядов текущего кадра в секциях светочувствительных ячеек, в соседних регистрах переноса зарядов находится информация о предыдущем кадре. Фотоны от ярких элементов изображения проникают вглубь полупроводника, где образуют пару электрон-дырка. Электроны производят несанкционированный переход в регистры переноса зарядов и добавляются к зарядам предыдущего кадра.

Эти искажения недопустимы в камерах высокого класса (вещательных), но возможны в камерах, работающих в системах сбора новостей.

Наиболее совершенным типом ПЗС являются FIT матрицы (рисунок 3.10). Здесь объединены первые две матрицы. Во время обратного хода по кадру заряды переходят в вертикальные регистры и сразу же в секцию хранения. Достоинство такой матрицы – малый уровень помех в виде вертикальных столбцов. Как минимум в 11,5 раз меньше, чем в матрицах IT типа. Это объясняется тем, что в IT матрицах информация выводится через вертикальные регистры, где и возникают эти искажения, за время активных строк одного поля 287,5*64мкс=18,4мс, а в FIT матрицах заряды проходят через вертикальные регистры за время пассивных строк поля 25*64мкс=1,6мс. Значит в каждом конденсаторе вертикального регистра в матрице FIT заряды будут находится в 18,4/1,6 раза меньше (по времени), чем в IT матрице, и значит во столько же раз уменьшится количество паразитных зарядов. А если время переноса уменьшить, что никак не повлияет на работоспособность матрицы FIT, то соответственно и уменьшится количество паразитных зарядов.

Рисунок 3.10. FIT матрица

Таким образом, из-за того, что основные процессы вывода зарядов из матрицы FIT происходят вдали от освещенных участков, уровень столбцов на 30-50дБ ниже, чем у IT матриц. Основной недостаток FIT матриц – их высокая стоимость. Поэтому они используются только в вещательных и профессиональных телевизионных камерах.

Как видно из рисунков, в IT и FIT матрицах не вся поверхность, на которую проецируется изображение, участвует в преобразовании свет-сигнал. Часть света попадает на закрытые вертикальные регистры, поэтому при всех прочих равных условиях чувствительность этих матриц, по сравнению с FT матрицами ниже. Для увеличения чувствительности вертикальные регистры необходимо перенести в глубь полупроводника, но полностью это сделать невозможно. Чтобы исключить их влияние фирмой Sony была предложена система микролинз. Каждому элементу изображения соответствует одна линза, которая направляет весь световой поток в светочувствительную ячейку.

ПЗС – это матрица элементарных МОП конденсаторов, выполняющих различные функции. Они на столько близко расположены друг к другу, что их потенциальные ямы перекрываются, за счет чего и возможен перенос зарядов. В современных матрицах соседние конденсаторы оборудуются управляемыми диодными переходами, что позволило организовать функцию электронного затвора и обеспечило возможность организации нескольких режимов работы ПЗС.

Электронный затвор позволяет оператору быстро во время съемки менять время экспозиции. Современные камеры выпускаются со следующим рядом времени экспозиции: 1/50, 1/60, 1/100, 1/120, 1/250, 1/500, 1/1000 и 1/2000 секунды. Например, выбрано время экспозиции 1/100 секунды. Именно это время в светочувствительных ячейках будут накапливаться заряды, после чего откроются диодные переходы и заряды перейдут в секцию хранения. Все заряды, которые будут накоплены в светочувствительных ячейках оставшееся время периода поля, через управляемые переходы сбросятся в подложку (использоваться не будут). Ясно, что при уменьшении времени экспозиции будут меняться две характеристики ПЗС: уменьшатся чувствительность и инерционность, т.к. уменьшается время накопления зарядов.

По времени экспонирования и принципу вывода зарядов из матрицы различают два режима работы:

1. режим накопления кадра;

2. режим накопления поля.

В первом режиме работы во время первого поля выводятся нечетные строки, а во время второго – четные (обычная чересстрочная развертка). Достоинство высокая чувствительность, т.к. каждый конденсатор накапливает заряды целый кадр и по этой же причине недостаток – высокая инерционность. Еще одно достоинство – максимально возможная четкость по вертикали.

У второго режима работы две разновидности.

1. При выводе строки объединяются попарно. В первом поле выводятся 1, (2 и 3), (4 и 5) и т.д. строки, а во втором (1 и 2), (3 и 4), (5 и 6). Строки сдвинуты на одну для обеспечения чересстрочной развертки. Достоинства: высокая чувствительность (время накопления зарядов в два раза меньше, но заряды двух элементов изображения складываются), низкая инерционность (заряды накапливаются только одно поле 20мс). Недостаток – в два раза снижена четкость по вертикали (строки складываются).

2. В первом поле выводятся все строки с последующим пересчетом в чересстрочную развертку, а заряды, накопленные во время второго поля, сбрасываются в подложку. Достоинства: высокая четкость по вертикали (строки не складываются), низкая инерционность. Недостаток – низкая чувствительность. Кроме того, этот режим работы устраняет самый главный недостаток чересстрочной развертки – низкую вертикальную четкость динамического изображения (0,6*Z, где Z – количество строк в кадре). Этот недостаток вызван тем, что за время передачи первого поля объект может сдвинуться по вертикали, и на строки второго поля не попадут элементы изображения, не попавшие на строки первого поля (мы их теряем). В этом же режиме, информация из ПЗС выводится построчно, т.е. по вертикали все 575 элементов изображения кадра.

Время экспозиции и режимы работы ПЗС выбираются оператором исходя из условий съемки. Например, при съемке хорошо освещенных и быстродвигающихся объектов необходимо уменьшать время экспозиции (иначе объекты будут смазаны), режим работы «накопление поля» второй случай. А при малом освещении необходимо увеличивать время экспозиции для увеличения чувствительности (режим работы «накопление кадра», или «накопление поля» первый случай).

ПЗС выпускаются в виде микросхем с размерами рабочей поверхности 2/3, 1/2, 1/3 и 1/4 дюйма (выигрыш в размерах и массе перед электровакуумными преобразователями очевиден) и маркируются аббревиатурой HAD –Hole Accumulated Diode (диодный накопитель дырок). ПЗС с системой микролинз маркируется Hyper HAD.