Розрахунок і оптимізація активного елементу

 

ЗМІСТ

ВСТУП 5

1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ КМОН-МАТРИЦЬ 6

1.1 Призначення та класифікація цифрових камер 6

1.2 ПЗЗ-матриці  7

1.3 Характеристики телекамер на КМОН фотоприймачах 11

2 РОЗРАХУНОК КМОН ФОТОДІОДНИХ НВІС 17

2.1 КМОН фотодіодні мікросхеми 17

2.2 Структура телекамер на КМОН фотоприймачах 18

2.3 Принцип роботи КМОН-ФД НВІС 25

2.4 Розрахунок і оптимізація активного елементу 30

ВИСНОВКИ 38

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 39

Додаток А 42

 

ВСТУП

Актуальність:

КМОН-ФД приймачі знайшли широке застосування не тільки в побутовій апаратурі (цифрові камери і фотоапарати, відеотелефони, системи безпеки транспорту), але і в промислових, космічних і оборонних системах (астронавігації, астроорієнтації, технічному зорі, системах спостереження і контролю і т.п.). Основна перевага КМОН-ФД - можливість створення однокристальних цифрових камер з пристроями аналогової, цифровий та негроподібної обробки зображення. Тому найбільш перспективні напрямки розробок - створення інтелектуальних камер, які в найближче десятиліття дозволять реалізувати системи технічного та штучного зору, що схожий за характеристиками до біологічного зору.

Мета:

Порівняльна характеристика КМОН-сенсорів.

Задачі  дослідження:

• Провести аналіз структури та конструктивних особливостей матричних фотоперетворювачів
• Розглянути принцип дії та основні параметри КМОН матриць
• Провести розрахунок активного елементу КМОН-ФД матриць

Об’єкт  дослідження:

Процес  зчитування інформації в КМОН матриці.

Предмет дослідження:

Характеристики  та параметри КМОН матриць.

 

1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ КМОН-МАТРИЦЬ

 

1.1 Призначення та класифікація цифрових камер

Цифрова фотокамера – це пристрій, призначений для  введення в ЕОМ зображень, отриманих як результат фотозйомок. Розрізняють за призначенням три види фотокамер:

- студійні, що використовують базові ПЕОМ, і, як правило, не мають вбудованої пам’яті для зберігання зображень та призначені для фотографування сцен із широким діапазоном відтінків з насиченими фарбами, глибокими тінями та яскраво освітленими елементами;

- позастудійні (польові) камери, що зберігають зображення у собі; працюють, як автономні пристрої без забезпечувальної ПЕОМ, призначені для фіксації сцен реального життя, з якими мають справу журналісти;

- побутові камери, в яких безплівкова технологія поєднується з простотою експлуатації («Вибери кадр та натисни на пуск»).

Цифрові камери поділяють на такі:

- камери із задньою розгорткою;

- трикадрові кольорові камери;

- однокадрові кольорові камери з трьома матрицями ПЗЗ;

- однокадрові кольорові камери з однією матрицею.

Як  елементи запису зображення в однокадрових цифрових фотокамерах можуть використовуватись CCD (Charge Coupled Device  (ПЗЗ) або CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors – комплементарний метал-оксидний провідник (КМОН))[1].

Пристрій  із зарядовим зв’язком є мікросхемою, яка містить світлочутливі елементи, які реєструють світло, що потрапляє на них через оптику. Світлочутливі елементи трьох типів (R, G, В - red, green, blue) на ПЗЗ розміщені за принципом шахової дошки. Кожен елемент реагує на «свою» довжину хвилі. У ПЗЗ-матрицях світло перетворюється в електричні заряди фотодіодами. Потім електричні заряди передаються через мікросхему ПЗЗ на перетворювач, що може бути описано як релейний процес, і посилюються.

Будова  КМОН-матриці за розташуванням аналізованих елементів аналогічна, однак вони мають підсилювачі для кожного  пікселя. Це дає змогу посилювати сигнал кожного пікселя і збільшувати  швидкість зчитування даних порівняно  з ПЗЗ-матрицею, для якої потрібне полінійне передавання даних. А  оскільки КМОН-матриця може зчитувати  лише потрібну інформацію, вона дозволяє зменшувати споживану потужність і скорочувати до мінімуму електричні шуми. Так, ПЗЗ-матриця споживає 20 В, а за тих же умов КМОН-матриця споживає 5 В. Більше того, оскільки КМОН-матриці не потребують різних напруг живлення як ПЗЗ-матриці, з’являється можливість установити на один кристал більшу  кількість допоміжних пристроїв, що сприяє мініатюризації системи[2].

Не  зважаючи на це, КМОН-матриці через  шум у кожному пікселі поступаються ПЗЗ-матрицям за якістю зображення, особливо за недостатнього освітлення.

На тепер лідером у виробництві цифрових фотокамер є фірма Kodak. У 1990 році нею введений стандарт PhotoCD - стандарт на зберігання фотозображень на CD-ROM.

1.2 ПЗЗ-матриці

Основною  ідеєю ПЗЗ є накопичення зарядів  в конденсаторах типу метал-оксид-напівпровідник (МОН-конденсаторах) і передача накопичених зарядів до пристрою, що проводить вимірювання кожного з них. Саме тому з фізичної точки зору фоточутливі ПЗЗ (ФПЗЗ) цікаві ще й тим, що електричний сигнал в них представлений не струмом чи напругою, а електричним зарядом[3]. В основі роботи ПЗЗ лежить явище внутрішнього фотоефекту. Поглинання кремнієм фотона приводить до генерації пари електрона і дірки. Пара розтягується електростатичним полем в області пікселя, причому дірка витісняється в глибину кремнію. Електрони, як неосновні носії заряду накопичуватимуться в потенційній ямі під електродом і, в зв’язку з тим, що дірок в збідненій області немає, електрони можуть зберігатися там достатньо довго. Якщо носій генерований поблизу збідненої області, то він може попасти під сусідній електрод при умові, що потенціал одного електрода буде зменшуватись, а іншого збільшуватись. Так заряди переміщаються вздовж зсувного регістра вимірюються на його виході. Таким чином на виході горизонтального зсувного регістра формується сигнал, що надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Матричні ФПЗЗ по способу організації формування сигналу розділяють на матриці з перенесенням кадру, стрічково-кадрові матриці та матриці зі стрічковою адресацією.

Матриці з перенесенням кадру містять  в собі щільно розміщені вертикальні  регістри перенесення і горизонтальний вихідний регістр[4]. По вертикалі матриця розділена на секції накопичення і пам'яті. Під час зворотного ходу по кадру інформація переноситься із секції накопичення в секцію пам'яті, а потім построково виводиться горизонтальним регістром протягом наступного півкадру.

В полікремнієвих затворах відбувається сильне поглинання випромінювання з довжиною хвилі меншою за 500 нм, що приводить до втрати інформації про синій компонент колірності. Для підвищення чутливості в синій області спектру здійснюється освітлення із внутрішньої сторони підкладки, а підкладка при цьому сточується до товщини 20 мкм. Також для вирішення даної проблеми використовується ПЗЗ-структура з вузьким каналом. Полікремнієві затвори складаються з широкої частини, під якою знаходиться інформаційний заряд вузької бар’єрної частини, ширина каналу якої 3 мкм[5]. Під впливом ефекту вузького каналу порогова напруга на 4 – 5 В більша, ніж в частині, що зберігає, завдяки чому є можливим двофазне керування пристроєм. Причому дана форма затворів приводить до того, що в кожній комірці залишається область, яка є не закритою полікремнієм, а отже чутливою до синьої частини спектру. При площі фоточутливого вікна, вільного від полікремнію, яка займає 27 % площі комірки, чутливість матриці при довжині 450 нм складає 40 % від максимальної чутливості[6].

Кольорове зображення отримують шляхом формування на скляній підкладці смужкових фільтрів червоного, зеленого і голубого кольорів. Підкладка наклеюється на матрицю таким чином, щоб кожний вертикальний регістр був закритий смужкою свого кольору. З метою послаблення змішування кольорів стоп-канали ПЗЗ закриваються напівпрозорим екраном. Якщо інформація швидко переноситься з секції накопичення в секцію пам'яті, то виникає паразитне свічення зображення, що приводить до спотворення інформації. Для запобігання цьому зменшують площу пристрою або підвищують частоту перенесення зображення. В стрічково кадрових матрицях відбувається чергування між вертикальними фоточутливими областями та екранованими від світла регістрами зчитування. Область накопичення є ніби розрізаною на вертикальні стовбці, між якими знаходяться зсувні регістри. Хоча фоточутливою є та частина площі, що не зайнята зсувними регістрами, зображення проектують на весь кристал. Накопичені у фотокомірках зарядні пакети одночасно переносяться в сусідні елементи регістрів зчитування. Протягом часу накопичення наступного кадру чи півкадру зарядні пакети виносяться у вихідний пристрій через горизонтальний вихідний регістр. На відміну від матриць з накопиченням кадру, де фотокоміркою може бути лише МОН-накопичувач, в стрічково-кадрових матрицях в якості фотокомірок можна використовувати як МОН-накопичувач, фотодіод, фоторезистор. Використання діодних фотокомірок дозволяє покращити чутливість в синій області спектру. Оскільки в стрічково-кадрових матрицях половина площі зайнята вертикальними регістрами, то виникає проблема збільшення заряду. Тому використовується режим накопичення поля, коли при звичайному робочому режимі матриці парні фотокомірки зчитуються в одному півкадрі, а непарні – в іншому. При використанні фотодіодної матриці підвищення фоточутливості здійснюють шляхом формування на поверхні приладу масиву напівпрозорих лінз, які фокусують світло на діоди, в результаті чого ефективна апертура зростає на 80 %. Кольорові фільтри наносяться безпосередньо на поверхню матриці. В матрицях зі стрічковою адресацією області накопичування і зчитування є суміщеними, а матриці призначені для роботи в малокадровому режимі, коли можна застосовувати фотозатвор або зробити час накопичення набагато більшим за час зчитування.

Матриці являють собою комбінацію накопичувачів  на основі МОН-транзисторів з горизонтальним вихідним ПЗЗ-регістром. Зчитування двокоординатного масиву відбувається построково у вихідний зсувний регістр та у вихідний пристрій. При такій організації необхідно забезпечити зчитування малого заряду з вертикальної шини великої ємності в комірку горизонтального регістра. Тому між фоточутливою матрицею та регістром вводять спеціальний узгоджувальний пристрій, який в значній степені визначає якість роботи пристрою. До матриць зі стрічковою адресацією відносять ФПЗЗ з тимчасовою затримкою та накопиченням (ТЗН), використання яких дозволяє різко збільшити відношення сигнал – шум, і як наслідок реалізувати високу чутливість. Використання тимчасової затримки і накопичення дозволяє різко поліпшити відношення сигнал-шум матриць і, отже, реалізувати високу чутливість. Одна з основних переваг матриць з ТЗН – можливість гібридної збірки їх в суперлінійки, число елементів яких досягає десятків тисяч[7].

Характеристики  ФПЗЗ – інтегральних мікросхем: ефективний квантовий вихід порядку 0,7; інтегральна чутливість порядку 1 А/Вт-1 в спектральному діапазоні 0,4÷0,8 мкм; високе відношення сигнал – шум, наближене до 1000; швидкість зняття оптичної інформації понад 10⁶ байт за секунду – забезпечують потреби до давачів в пристроях цифрового перетворення зображень в інформаційних системах. Сьогодні серійне виробництво ПЗЗ-матриць здійснюється декількома фірмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. ПЗЗ хорошої якості сучасної розробки випускає, наприклад, фірма Philips. Такими матрицями оснащені телекамери серії LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 забезпечена автоматичним електронним затвором 1/50 — 1/100000 с, працюючим з форматом матриці 1/3 дюйма і розміром 752×582 пікселів.

 

1.3 Характеристики телекамер на КМОН фотоприймачах

 

Роздільна здатність фотоприймача - в першу чергу визначається числом світлочутливих елементів і їх геометричним розміром. На відміну від технології ПЗЗ, КМОН технологія дозволяє досить простими засобами організувати фотоприймач, що містить дуже велику кількість пікселів - десятки мільйонів, і має дуже велику площу кристала, наприклад, збігається з розміром кадру стандартної фотоплівки. Це пояснюється тим, що при збільшенні розміру кристала ПЗЗ-перетворювача ймовірність захопити фатальний дефект швидко зростає. У КМОН сенсорі такий дефект викличе поразку одного єдиного пікселя, значення відеосигналу якого можна буде інтерполювати по сусідніх елементах, у тому числі безпосередньо в самому сенсорі. У матричних ПЗЗ такий дефект дуже часто призводить до непрацездатності всього перетворювача в цілому. Тим самим, вихід придатних фотоприймачів, виконаних за КМОН технологією, особливо при великій площі кристала, істотно вище, ніж для ПЗЗ технології.

Чутливість  фотоприймача - визначається коефіцієнтом збору світлового потоку, квантовою ефективністю і власними шумами. Наявність великої кількості транзисторів в кожному пікселі призводить до зниження коефіцієнта використання світлового потоку в КМОН сенсорах, однак застосування добре відпрацьованою в матричних ПЗЗ із рядковим переносом технології мікролінз, розташованих над фотодіодом (on-chip-microlenses) дозволяє домогтися дуже високих значень коефіцієнта збору, що наближаються в перспективі до 100%. Використання оптимізованих структур сучасних фотодіодів в якості світлочутливого елемента, максимізує квантовий вихід, а наявність вбудованого в піксель активного підсилювача теоретично дозволяє досягти меншого рівня шумів, ніж в ПЗС структурах. Також благотворним чинником, що впливає на зниження власного шуму є зменшення смуги частот обробки відеосигналу при застосуванні паралельної обробки відеосигналів всіх пікселів рядка або ж всього фотоприймача. Вже в існуючих КМОН сенсорах з активним піксельом коефіцієнт перетворення заряду в напругу може становити сотні мкВ на електрон в порівнянні з десятками мкВ на електрон в кращих фотоприймача на ПЗЗ.

Однак, недостатня відпрацьованість технології, що виявляється в тому числі в  неможливості створення мегапіксельного масиву малошумових транзисторів призводить до того, що шуми КМОН фотоприймачів поки перевищують шуми ПЗЗ перетворювачів і їх чутливість при рівності таких факторів як час накопичення і розмір світлочутливого елемента поки поступається (приблизно на порядок) чутливості матричних ПЗЗ.

Характеристики  спектральної чутливості - в цілому ідентичні характеристиками матричних ПЗЗ і в першу чергу визначаються типом і особливостями застосованого кремнієвого світлочутливого елемента - МОН ємності або фотодіода[8]. У той же час відомі КМОН сенсори, в яких схеми зчитування виконані по кремнієвій технології, а в якості фоточутливих елементів використані спеціальні шари. Така структура дозволяє створювати КМОН фотоприймачі ІЧ діапазону.

Помилкові сигнали, що виникають в процесі  фотоелектричного перетворення і зчитування відеосигналу, в КМОН сенсорах пов'язані з темновим струмом і розкидом чутливості. З точки зору темнового струму фотодіод КМОН сенсора може бути оптимізовано також як і в матричних ПЗЗ з рядковим переносом. Однак наявність активних підсилювачів, схем посилення і обробки, в тому числі розташованих безпосередньо в пікселі, призводить до того, що тепло виділяється безпосередньо в тому місці, де накопичуються фотоелектрони, що, природно, викликає зростання темного струму за рахунок збільшення температури. Однією з основних проблем сучасних КМОН сенсорів є наявність так званого геометричного шуму (Fixed Pattern Noise) - детермінованої компоненти, викликаної нерівномірністю відеосигналу сусідніх стовпців і рядків. На зображенні геометричний шум проявляється зазвичай у вигляді вертикальної структури, особливо проявляється на чорному при малих рівнях освітленості. В даний час чинником, що обмежує порогову чутливість КМОН фотоприймачів в першу чергу є саме геометричний, а не флуктуаційний шум. Дане обмеження носить технологічний характер і буде подолане у міру вдосконалення технології і збільшенні обчислювальної потужності цифрового процесора, розташованого на кристалі[9]. В той же час в КМОН сенсорах повністю відсутні артефакти, викликані неефективністю перенесення і так званий вертикальний змаз (вертикальний стовп на зображенні від яскравих деталей), притаманний матричним ПЗЗ. Це пояснюється тим, що заряд зчитується в тому ж місці, де і формується та механізми утворення змазу і неефективності відсутні. Проблеми блумінгу, що виникають при пересвітках, вирішуються тими ж способами, які відпрацьовані в матричних ПЗЗ. Спостереженню об'єктів при малих освітленнях перешкоджає світіння польових транзисторів. У матричних ПЗЗ світіння зазвичай пов'язане з транзисторами вихідного вузла і проявляється у вигляді фону, плавно зменшується від лівого верхнього кута зображення. У КМОН сенсорах транзистори розташовані безпосередньо в пікселі і їх світіння може призвести до утворення паразитного заряду, який вносить до того ж свої дробові шуми.