Розмір матриці по діагоналі

Іноді в ряді інших параметрів будь-якої цифрової камери вказується розмір ПЗЗ-матриці по діагоналі (найчастіше в частках дюйма). У першу чергу ця величина пов'язана з характеристиками об'єктиву - чим більші габарити сенсора, тим більше повинно бути, сформоване оптикою, зображення. Щоб дане зображення повністю накривало - реєструють поверхню матриці, розміри оптичних елементів доводиться збільшувати. Якщо цього не робити і, створена об'єктивом, «картинка» виявиться меншою за сенсор, то периферійні області матриці виявляться непотрібними.

А ось у цифрових «дзеркалках», створених на базі 35-міліметрову техніки, практично завжди зустрічається зворотна ситуація-зображення, що формується об'єктивом, перекриває світлочутливу область матриці. Зумовлено це тим, що сенсори з габаритами кадру 35-мілііметровой плівки занадто дорогі, а призводить до того, що частина зображення, яка формується об'єктивом, опиняється в буквальному розумінні слова «за кадром». У результаті характеристики об'єктива зміщуються в «довгофокусну» область. Тому при виборі змінної оптики для цифрової «дзеркалки» слід враховувати коефіцієнт збільшення фокусної відстані - як правило, він становить близько 1,5. Наприклад, при установці варіооб'єктива 28-70мм його робочий діапазон складе 42-105мм.

Згаданий коефіцієнт має, як позитивний, так і негативний вплив. Зокрема, ускладнюється зйомка з великим кутом охоплення, що вимагає короткофокусні об'єктиви.

Крім того, для будь-якого об'єктива характерні такі аберації, як кривизна поля та дисторсія, що виражаються в розмитості і викривленні зображення в крайових областях кадру. Якщо габарити матриці менші, ніж розмір формований об'єктивом зображення, «проблемні області» просто не будуть зареєстровані сенсором.

Слід зазначити, що чутливість матриці пов'язана з габаритами її реєструючої області. Чим більша за світлочутлива площа кожного елемента, тим більше світла потрапляє на нього і тим частіше відбувається внутрішній фотоефект, таким чином, зростає чутливість всього сенсора. Крім того, піксель великих габаритів дозволяє створити потенційну яму «підвищеної місткості», що позитивно позначається на широті динамічного діапазону.

Втім, із збільшенням роздільної здатності, буферний паралельний регістр зсуву захоплює все більшу частку площі сенсора, що в результаті і світлочутливу область, і «місткість» потенційної ями скорочуються (рис. 4).

Рис. 4. Скорочення потенційної ями.

Відбувається зменшення світлочутливої області ПЗЗ-матриці при зростанні дозволу.

Блумінг

У тих випадках, коли внутрішній фотоефект призводить до надмірної кількості електронів, що перевищує глибину потенційної ями, заряд ПЗЗ-елемента починає «розтікатися» по сусідніх пікселях. На знімках це явище, іменоване «блумінг» (від англійського blooming - розмивання), відображається у вигляді плям білого кольору і правильної форми, і чим більше надлишкових електронів, тим більші плями. Придушення блумінга здійснюється за допомогою системи електронного дренажу (overflow drain), основне завдання якої - вивід надлишкових електронів з потенційної ями. Найбільш відомі варіанти вертикального дренажу (Vertical Overflow Drain, VOD) (рис. 5) і бічного дренажу (Lateral Overflow Drain, VOD) (рис. 6).

В системі з вертикальним дренажем на підкладку матриці подається потенціал, значення якого підбирається так, щоб при переповнення глибини потенційної ями надлишкові електрони випливали з неї на підкладку і там розсіювалися. Мінусом такого варіанту є зменшення глибини потенційної ями і, відповідно, звуження динамічного діапазону ПЗЗ-елементу. Очевидно також, що дана система не застосовується в матрицях зі зворотним засвіченням.

Рис. 5. Вертикальний електронний дренаж.

Система з боковим дренажем використовує електроди, що перешкоджають проникненню електронів потенційної ями в «дренажні канавки», з яких відбувається розсіювання надлишкового заряду. Потенціал на цих електродах підбирається у відповідності з бар'єром переповнення потенційної ями, при цьому її глибина не змінюється. Проте за рахунок електродів дренажу скорочується світлочутлива площа ПЗЗ-елемента, тому доводиться використовувати мікролінзи.

Рис. 6. Бічний електронний дренаж.

Звичайно, необхідність додавати в сенсор дренажні пристрої ускладнює його конструкцію, однак спотворення кадру, що створює блумінг, не можна ігнорувати. Та й електронний затвор неможливо реалізувати без дренажу - він відіграє роль «шторки» при надкоротких витримках, тривалість яких менше інтервалу, що витрачається на перенесення заряду з основного паралельного регістра зсуву в буферний паралельний регістр. «Шторка», тобто дренаж, запобігає проникненню в ями буферних ПЗЗ-елементів тих електронів, що утворилися в «світлочутливих» пікселях після того, як минув заданий (і дуже короткий) час експонування.

Пристрій, принцип дії

Прилади з зарядним зв'язком (ПЗЗ), як і транзистори, володіють властивістю універсальності, що дозволяє використовувати їх у найрізноманітніших пристроях. Вони застосовуються в цифрових ЗП великої інформаційної місткості. У оптоелектронних приймачах зображень на основі ПЗЗ створюють формувачі відеосигналів. У радіотехнічних системах обробки інформації ПЗЗ використовують при розробці лінії затримки.
У даному випадку розглядається пристрій, принцип дії та параметри елементів ПЗЗ, а також різновиди їх конструкцій.

Основними елементами ПЗЗ є однотипні МДН - конденсатори, сформовані на загальній монокристалічний напівпровідниковій підкладці 1 p - типу (рис. 7). Розташовані на шарі діелектрика 2 смужки затворів 3 утворюють регулярну лінійну систему або плоску матрицю. Для більшості приладів підкладку виготовляють з високоомного кремнію, діелектриком служить діоксид кремнію. Затвори за допомогою алюмінієвих або полікремнієвих плівкових провідників приєднують до керуючих шин, на які, відносно заземленого електрода, підкладки подають імпульсні керуючі напруги. У даному приладі три керуючих шини Ф1, Ф2, Ф3, тому він називається трьохтактним. Для приладів з підкладкою p-типу керуючі напруги, як правило, мають позитивну полярність, а з підкладкою n-типу – негативну.

При подачі напруги високого рівня, наприклад, на шину Ф1 у приповерхневих областях напівпровідникової підкладки під затворами, з'єднаними з цією шиною (першим, четвертим і т.д.), виникають потенційні ями для електронів. Електричний сигнал у ПЗЗ представлений не струмом або напругою, а зарядом - зарядовим пакетом.

Принцип дії ПЗЗ заснований на накопиченні і зберіганні зарядових пакетів в потенційних ямах під затворами і на переміщенні зарядових пакетів між сусідніми елементами при зміні керуючих напруг - тактових імпульсів. Взаємодія сусідніх елементів здійснюється за допомогою перенесення зарядових пакетів в напівпровідниковій підкладці в напрямку, показаному стрілкою на рис. 7, а. Цю взаємодія називають зарядовим зв'язком, що відображено в назві приладу.

Рис. 7. Однотипні МДН - конденсатори, сформовані на загальній монокриста­лічний напівпровідниковій підкладці 1 p – типу.

Для того, щоб між сусідніми елементами забезпечувався ефективний зарядний зв'язок, відстані між затворами повинні бути досить малими в порівнянні з товщиною збіднених шарів під затворами. Завдяки безпосередньому зарядовому зв'язку між сусідніми елементами в ПЗЗ не потрібні сигнальні провідники, необхідні в інтегральних мікросхемах, які містять транзистори. На поверхні більшої частини кристала розташовуються тільки керуючі шини, а сигнальні провідники використовуються лише на входах і виходах ПЗЗ.

У поверхні підкладки сформовані області 4 p +-типу, межі яких на рис. 7,а показані штриховими лініями. Області p +-типу обмежують частину підкладки, розташовану під затвором, в якій переміщуються зарядові пакети. Тому її називають каналом переносу.

Рис. 8. Залежність поверхневого потенціалу від величини зарядового пакета при заданій напрузі затвора.

Розглянемо фізичні процеси в МДН - структурі, стосовно до ПЗЗ, які на відміну від МДН транзисторів працюють тільки в імпульсному режимі. Нехай при t = 0 напруга на затворі змінюється стрибком від U₃ = 0 до U₃ > U_пор, де U_пор - граничне напруження. У напівпровіднику під затвором утворюється потенційна яма для електронів і протягом дуже короткого відрізка часу (близько часу діелектричної релаксації) формується шар з високим питомим опором, в якому, під дією поля, видалені основні носії - дірки, а електрони ще не встигли накопичитися. Глибина потенційної ями максимальна на кордоні напівпровідника з діелектриком, тут починає накопичуватися зарядовий пакет електронів Q_n. Він з'являється внаслідок контрольованого переносу зарядів з сусідньої МДН-структури та неконтрольованих процесів: теплової генерації електронів в збідненому шарі або на поверхні напівпровідника, дифузії електронів з підкладки.

Рис. 9. Розподіл поверхневого потенціалу в МДН-структурі в напрямку, перпендикулярно затвору, для різних моментів часу.

Та внаслідок розподілу поверхневого потенціалу в МДН-структурі та неконтрольованих процесів: теплової генерації електронів в збідненому шарі або на поверхні напівпровідника, дифузії електронів з підкладки.

Розподіл поверхневого потенціалу в МДН-структурі в напрямку, перпендикулярному затвору, для різних моментів часу наведений на рис. 9.

Координати відраховуються від кордону напівпровідник (П) - діелектрик (Д). Штриховою лінією показана межа діелектрик - метал (М). У міру накопичення зарядового пакета за рахунок теплової генерації носіїв заряду товщина шару збідненого L_об і поверхневий потенціал напівпровідника ф_пов зменшуються, а різниця потенціалів на діелектрику збільшується. У сталому режимі (t) поверхневий потенціал зменшується до значення

Фпор=2ФTln(N_aN_i) . . . (1)

де N_a - концентрація акцепторів в підкладці; N_i - концентрація власних носіїв. При цьому на поверхні утворюється інверсний шар n-типу, максимальний заряд електронів в якому

Q_nmax=С_д(U₃-U_пор) . . . (2)

Де С_д=S₃EO - ємність діелектрика; S₃ - площа затвора.

Для роботи ПЗЗ істотна залежність поверхневого потенціалу від величини зарядового пакета при заданій напрузі затвора (рис. 8).

При постійному значенні Q_n поверхневий потенціал зростає при збільшенні напруги затвора також приблизно по лінійному закону. Наведені залежності дозволяють наочно проілюструвати роботу ПЗЗ за допомогою гідродинамічної моделі (рис. 10, а-в). В цій моделі потенційна яма ототожнюється з посудиною, зарядовий пакет Q_n-3 рідиною, що заповнює цю посудину, поверхневий потенціал, тобто глибина потенційної ями, - з відстанню h від поверхні рідини, що заповнює цю посудину. У такій моделі між обсягом рідини в посудині і глибиною h (Q_n) в його незаповненій частині існує лінійна залежність виду, а глибина порожнього судини h збільшується пропорційно напрузі затвора. Ця модель використовується для пояснення процесу перенесення зарядного пакета.

Для нормальної роботи ПЗЗ – відстань між сусідніми затворами повинна бути досить малою, щоб потенційні ями сусідніх елементів, на затвори яких подана напруга U’₃, зливалися в єдину потенційну яму без бар’єру посередині для моменту часу t3> t> t2.

Рис. 10. Робота ПЗЗ за допомогою гідродинамічної моделі.

Рис. 11. Діаграми керуючих імпульсів.

Розглянемо процес переносу зарядного процесу в ПЗЗ з трьохтактною схемою управління. Тимчасові діаграми керуючих імпульсів для цього випадку наведені на рис. 11. Нехай в момент часу t₁ на затворах, приєднаних до ширини Ф₂, напруга високого рівня U'₃ > U_пор і під другим і п'ятим затворами накопичені зарядові пакети Q_n2 і Q_n5 (рис. 12), а на затворах, приєднаних до шин Ф₁ і Ф₃ - напруга низького рівня і під відповідними затворами немає потенційних ям і зарядових пакетів. У момент часу t₂ на затвори, з'єднані з шиною Ф₃, поступає напруга високого рівня і під ними практично миттєво формуються порожні потенційні ями. На затворах шини Ф₁ зберігається напруга низького рівня.

Рис. 12. Виникнення поздовжнього електричного поля

Перенесення зарядних пакетів стає можливим завдяки крайовому ефекту. Він полягає в тому, що розміри потенційної ями в площині пластини (у напрямі перенесення зарядних пакетів) перевищують розміри затвора, тобто потенційна яма утворюється не тільки під затвором, але і деякою відстанню від його країв. Розміри областей за межами затвора, в яких формується потенційна яма, збільшуються зі зростанням напруги на затворі. Тільки при досить великих напругах на сусідніх затворах і малих відстанях між ними потенційні ями під сусідніми затворами перекриваються, утворюючи єдину потенційну яму.

Оскільки при t = t₂ (рис. 12) в третьому елементі електронів немає, а в другому накопичений зарядовий пакет Q_n2, то згідно з залежностей, показаних на рис. 9, при однакових напругах на затворах U₃₂ = U₃₃ = U'₃ поверхневий потенціал під затвором 3 буде значно вищим, ніж під затвором 2. В результаті впливу зарядового пакету Q_n2 при однакових напругах на затворах 2 і 3 в загальній потенційній ямі виникає поздовжнє електричне поле, яке прискорює електрони в бік третього елемента.

У гідродинамічній моделі ПЗЗ процесу переносу зарядового пакета відповідає перетікання рідини в межах загальної посудини. Після підвищення напруги в затворі 3 формується загальна посудина, розташована під двома затворами і в проміжку між ними. Рідина в цій посуді при t> t₂ розподілена нерівномірно і починає перетікати під затвор 3. У міру вирівнювання рівнів рідини під затворами 2 і 3 його швидкість течії зменшується. Щоб прискорити перекачування рідини, напруга на затворі 2 при t > t₃ поступово знижують до значення U₃ хв. Дно посудини під цим затвором піднімається, і рідина переміщається в посудину, розташовану під затвором 3.

При t = t₄ перенесення зарядового пакету з другого елемента в третій закінчується. У той же період часу здійснюється аналогічне перенесення зарядового пакету з п'ятого елемента в шостий. Спрямованість перенесення зарядового пакетів Q_n2 і Q_n5 забезпечується тим, що під час перенесення на затворах 1 і 4 (шина Ф1) підтримується низька напруга і під ними потенційна яма не формується. Для направленого переносу в розглянутому випадку використовують трьохтактні керуючі напруги (рис. 11). Для зберігання і перенесення одного зарядного пакета необхідно три елементи.

У момент часу t = t₅ на шину Ф₁ подається напруга високого рівня (див. рис.12) і починається перенесення зарядових пакетів Q_n3 і Q_n6 в наступні елементи. Таким чином інтервал часу t_пер = t₄-t₂ відповідає часу, що відводиться для перенесення зарядових пакетів, з інтервалом t_xp = t₅ - t₄ - часу зберігання.

Пристрої введення та виведення зарядових пакетів є обов'язковими структурними елементами ПЗЗ. Вони дозволяють перетворити вихідні сигнали (рівні напруги) у сигнальні зарядові пакети, а на виході здійснювати зворотне перетворення.

Розглянемо пристрій введення електричного сигналу (рис. 13, а). Він складається з області 1 n + - типу, яка утворює з підкладкою n +-p перехід (вхідний діод) вхідного омічного контакту 2 до області 1 та вхідного замка Ф_вх. При простому способі введення на вхід подається сигнал негативної полярності, зміщується вхідний діод в прямому напрямку, а до Ф_вх прикладається керуючий позитивний напрям. Найбільше пряме зміщення інжектується, n + - p перехід забезпечується в приповерхневій області, воно збільшується із зростанням різниці напруг на вході і на вхідному затворі. Зарядовий пакет інжектується спочатку з під n + - області під вхідний затвор (рис. 13, б), а потім переноситься під перший затвор Ф₁. Величина інжекційного зарядового пакету збільшується із зростанням амплітуди вхідного сигналу за лінійним (приблизно експоненціальним) законом. Крім того, вона залежить від часу інжекції, тобто від тактової частоти імпульсів (рис. 11). Гідність даного способу введення електричного сигналу - висока швидкодія (час інжекції становить кілька наносекунд).

У ряді випадків потрібно забезпечити близьку до лінійної залежності величину інжекційного зарядового пакета від вхідної напруги. Вона може бути отримана в тому ж пристрої введення (рис. 13, а), якщо використовувати інший режим його роботи, що називається режимом інжекції - екстракції (рис. 13, в).

Рис. 13. а - пристрій введення електричного сигналу;

б - інжекція зарядового пакету;

в - залежність величини інжекційного зарядового пакета від вхідної напруги.

Рис. 14. а - пристрій для виведення зарядового пакету на ви­­­­­ході;

б - потенційна яма, розташована під вихідним затвором.

Інформаційний сигнал позитивній полярності подають на Ф_вх, а вхідний діод спочатку зміщують в прямому напрямку. На етапі I забезпечується максимальне заповнення електронами потенційних ям під вхідним затвором і першим затвором Ф₁, подають напругу U'₃ > U_пор. На етапі II вхідний діод зміщують у зворотному напрямку і екстрагуються електрони з-під затворів Ф_вх і Ф₁ в n + - область. При цьому з-під вхідного замка заряд екстрагується повністю, а з-під першого він екстрагується до рівня, що відповідає поверхневому потенціалу під вхідним затвором. Оскільки потенційна яма вхідного замка виявляється порожньою, то поверхневий потенціал під цим затвором, як зазначалося вище, пропорційний напрузі на цьому затворі, тобто напрузі вхідного сигналу. Отже, величина зарядового пакета під першим затвором Ф₁, пропорційна поверхневому потенціалу під вхідним затвором, буде змінюватися приблизно лінійно при зміні амплітуди вхідного сигналу.
Для виведення зарядового пакету на виході використовують пристрій (рис. 14, а), що містить область 1 n + - типу провідності, омічний контакт 2 до цієї галузі і вихідний затвор Ф_вих. Область 1 утворює з підкладкою вихідний діод, який зміщують у зворотному напрямку. Для цього на вихідний контакт через резистор подають постійну позитивну напругу, що перевищує максимальну напругу на Ф_вих. У певний момент часу на вихідний затвор подають імпульс позитивної полярності, що дозволяє висновок зарядового пакета. Якщо в останньому елементі Ф₃ до цього моменту часу був накопичений зарядовий пакет, то він переміститися в потенційну яму, розташовану під вихідним затвором (рис. 14, б), а потім у більш глибоку потенційну яму області n + - типу і, нарешті, у вихідний ланцюг - резистор, приєднаний до n + - області. До вихідного висновку підключають чутливий підсилювач на МДН - транзисторах, які створюються на цій же основі.

У ряді випадків необхідно здійснювати незруйноване зчитування зарядового пакета. Для цього в якості датчика поверхневого потенціалу та пов'язаної з ним величини зарядового пакету використовують МДН транзистор.

Внутрішній фотоефект

Сформоване об'єктивом, зображення потрапляє на ПЗЗ - матрицю, тобто промені світла падають на світлочутливу поверхню ПЗЗ - елементів, завдання яких - перетворити енергію фотонів в електричний заряд. Відбувається це приблизно так: для фотона, що впав на ПЗЗ - елемент, є три варіанти розвитку подій - він або відіб’ється від поверхні, або буде поглинений в шарі напівпровідника (матеріалу матриці), або «проб'є наскрізь» її «робочу зону». Очевидно, що від розробників вимагається створити такий сенсор, в якому втрати від «рикошету» і «прострілу» були б мінімізовані. Ті ж фотони, які були поглинені матрицею, утворюють пару електрон-дірка, якщо відбулося взаємодія з атомом кристалічної решітки напівпровідника, або ж тільки фотон (або дірку), якщо взаємодія було з атомами донорних або акцепторних домішок, а обидва перерахованих явища називаються внутрішніми фотоефектами . Зрозуміло, внутрішнім фотоефектам робота сенсора не обмежується - необхідно зберегти «відібрані» у напівпровідника носії заряду в спеціальному сховищі, а потім їх рахувати.

Рис. 15. Внутрішній фотоефект.