2. Технология изготовления ФПЗС

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ:
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Е.В. Костюков, Ю.А. Кузнецов, А.С. Скрылёв, В.В. Чернокожин
ФГУП “НПП “Пульсар”, pulsar@dol.ru
1. Введение
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС) относятся к тем изделиям, значимость которых непрерывно возрастает и, несомненно, будет возрастать в дальнейшем вне зависимости от появления новых разновидностей интегральных схем и быстрого прогресса традиционных
БИС и СБИС.
Устойчивость положения ПЗС в общей иерархии микроэлектронных приборов можно объяснить плодотворностью, "жизнеспособностью" основополагающей идейной концепции ПЗС, заключающейся в том, что в этих приборах информация представляется в виде зарядовых пакетов, которые
формируются в приповерхностной области кристалла, управляемо перемещаются и требуемым образом преобразуются (делятся, сливаются, нормируются и прочее). Отсюда вытекает функциональная
широта ПЗС, которая проявляется в способности оперировать (хранение, обработка) аналоговыми и
цифровыми величинами, а также в возможности параллельного ввода больших массивов информации, в том числе соответствующих двумерным изображениям.
Основной областью применения ПЗС является видеотехника. В бытовой аппаратуре твердотельные ПЗС- фотоприёмники обеспечили миниатюризацию видео- и телекамер, значительный выигрыш в надежности, потреблении, массе и габаритах по сравнению с вакуумными передающими трубками. В настоящее время практически весь рынок видеоаппаратуры, как бытовой, так и профессиональной и специальной теле- и видеотехники, построен на основе линейных и матричных фоточувствительных приборов с зарядовой связью. Давайте поближе познакомимся с таким замечательным
изделием функциональной электроники, как ФПЗС.
2. Технология изготовления ФПЗС
Базовой структурой ФПЗС является массив перекрывающихся электродов (затворов), к которым прикладываются импульсы напряжений, обеспечивающие хранение и перенос сигнальных зарядов в нижележащем полупроводнике. Электроды отделены от полупроводника тонким диэлектрическим слоем, и каждый из них, по сути, представляет собой хорошо известную структуру металлокисел-полупроводник (МОП-конденсатор).
Самый первый ПЗС и представлял собой аналоговый регистр сдвига на 8 элементов, изготовленный по p-МОП технологии с молибденовыми затворами, разделёнными 2-х микронными зазорами. Изготовили его в 1970 г. сотрудники фирмы Bell (США) У. Бойл и Дж. Смит, исследуя возможность создания электрического аналога схем на цилиндрических магнитных доменах в МОП структурах. Они предложили принцип зарядовой связи и продемонстрировали его на этом регистре экспериментально[1] .
Технология ФПЗС с поверхностным p-каналом исчерпала свои возможности, когда потребовались приборы, работающие с частотой более 10 МГц и потерями заряда менее 10 -4 на один перенос.
Радикальным улучшением технологии ПЗС стало предложенное в 1974 г. К. Секеном и М. Томпсеттом из Bell Labs использование электродов из поликристаллического кремния, прозрачного почти во
всём видимом диапазоне и сокративших межэлектродные зазоры с 2-х до 0,2 мкм. Недостатки же
приборов, связанные с поверхностным переносом заряда, удалось устранить инженерам фирмы
Philips, в 1972 году предложившим ПЗС с объёмным каналом. Эти решения оказались настолько
удачными, что с тех пор все ПЗС выпускаются только с объёмным каналом переноса заряда и поликремневыми затворами. От поверхностного объёмный канал переноса отличается тем, что в приповерхностной области кремниевой подложки создаётся тонкий (порядка 0,3 - 0,5 мкм) слой с типом
проводимости, противоположным подложке, и с концентрацией примеси такой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче управляющих напряжений на, расположенные над ним поликремниевые
затворы. Сигнальный заряд локализуется в некотором отдалении от границы раздела окиселполупроводник, что полностью устраняет влияние поверхностных состояний на процесс переноса
заряда, обеспечивая эффективность переноса 0,999995 на частотах до 40 - 50 МГц.
Выбор структуры ПЗС и технологии изготовления в каждом конкретном случае являет собой
компромисс. Сложная форма управляющих импульсов, минимально возможный размер элемента,
простота технологии и процент выхода годных - вот некоторые из факторов, влияющих на окончательное решение; имеет также значение ранее накопленный технологический опыт. Следовательно,
можно заключить, что не существует универсальных структур и процессов, подходящих для любого
применения и любого предприятия. Более того, выбранная технология приборов должна постоянно
совершенствоваться в свете общих достижений кремниевой планарной технологии.
298
3. Схемы организации ФПЗС
Многоэлементные фоточувствительные приборы с зарядовой связью делятся на линейные
(ЛФПЗС) и матричные (МФПЗС)[2].
Простейший линейный приёмник состоит из строки фотодиодов, изолированных затвором
переноса от считывающего ПЗС-регистра (рис.1). Плотность упаковки фотодиодов определяется размерами электродов в ПЗС-регистре. Когда на затвор подаётся высокое открывающее напряжение, все
заряды, накопленные в фоточувствительных элементах, параллельно переносятся в считывающий
регистр, в котором каждому фотодиоду соответствует ячейка переноса. Сразу после запирания затвора в фоточувствительных элементах начинает накапливаться заряд следующей строки, а предыдущая
строка изображения считывается с помощью регистра переноса (который экранирован от падающего
света). В этом случае длительность режима накопления равна 100% времени цикла или более.
Применение билинейной конструкции позволяет вдвое увеличить разрешение, если оно
ограничено размером ячейки или неэффективностью переноса. В этой конструкции второй ПЗСрегистр помещается параллельно первому с другой стороны от фотодиодов, при этом фотодиоды
«упакованы» более плотно, а число переносов в ПЗС-регистре уменьшается вдвое (в общем случае, на
величину, равную количеству ПЗС-регистров). При большом числе ячеек это позволяет повысить частоту вывода данных [3].
Рис. 1. Конструкции линейных ФПЗС
Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью имеют два основных типа организации матричного массива: с кадровым переносом-КП и с межстрочным переносом -МП.
Матричная структура с кадровым переносом образована совокупностью вертикальных регистров ПЗС и, в общем случае, имеет одну фоточувствительную область и выходной сдвиговый регистр с устройством вывода информации (рис.2а). Такая матричная структура носит название полнокадровая (ПК), в английской аббревиатуре (full frame-FF), и находит достаточно широкое применение
при регистрации неподвижных или мало подвижных изображений. Преимуществом такой организации является достаточная простота конструкции, основной недостаток- необходимость механического затвора, перекрывающего световой поток на время считывания накопленного кадра.
Если к фоточувствительной секции добавить ещё одну такую же секцию, но экранировать её
от света, то мы получим матрицу с кадровым переносом (КП) - frame transfer (FT). Такая матрица
содержит две расположенные друг под другом секции: накопления (СН) и хранения (СХ) и выходной
сдвиговый регистр с устройством вывода информации (рис.2б). Принцип действия матричного ФПЗС
с КП удобно рассмотреть на примере ТВ – режима. В течение времени, равного примерно одному
полю кадровой развертки, во всех элементах СН происходит синхронное накопление фотогенерированных зарядов. Затем, во время обратного хода кадровой развертки, происходит быстрый параллельный во всех столбцах матрицы перенос зарядов из СН в СХ. В следующем поле в СН изменением
управляющих напряжений смещается центр накопления на полшага матрицы по вертикали, т.е. обеспечивается чересстрочность разложения, а из СХ производится построчный перенос зарядов в горизонтальный регистр (ГР) с последующим выводом заряда и преобразованием его в выходном устройстве (ВУ) в видеосигнал. Основное достоинство по сравнению с конструкцией с межстрочным переносом: вся площадь секции накопления является фоточувствительной, т. е. коэффициент заполнения
(fill factor) равен 100%. Эта особенность выводит приборы с КП на первое место везде, где требуется
высокая чувствительность.
Основным недостатком матриц с КП является высокий смаз изображения, возникающий при
переносе изображения с секции накопления в секцию памяти. Кадровый перенос занимает до 10%
периода кадра, во время КП секция накопления остаётся открытой для света и яркие участки изображения успевают дать вклад в чужой зарядовый пакет даже за то короткое время, когда он проходит
через них и происходит смазывание изображения, что является особенно критичным для приёма
цветного изображения.
299
а)
б)
Рис. 2. Конструкция матриц ФПЗС с переносом кадра
Радикально проблема смаза изображения решается в ФПЗС с межстрочным переносом (МП)
– interline transfer (IT). В отличие от матриц с КП, функции накопления заряда и его переноса здесь
разделены. Матричная структура с межстрочным переносом (рис. 3а) может быть представлена образованной из матрицы с КП путем вдвигания экранированных от света столбцов СХ между столбцами
СН. В отличие от матриц с КП, где ПЗС ячейка выполняет поочерёдно функции накопления и переноса (т.е. они разделены во времени), матрицы с МП имеют пространственное разделение этих функций. В такой структуре перенос кадра из секции накопления в экранированные от света области хранения происходит за один такт, занимающий время не более 1 мкс. Изображение следующего кадра (в
виде картины зарядовых пакетов) накапливается в «очищенных от заряда» фотодиодах. В это же время предыдущий кадр сдвигается в экранированных от света вертикальных сдвиговых регистрах и построчно считывается выходным сдвиговым регистром [4].
Приёмники с межстрочным переносом работают достаточно просто, но имеют сложную конструкцию ячейки и уменьшенную фоточувствительную площадь (за счёт встроенных вертикальных
каналов переноса, которые необходимо экранировать от света). Особенностями этих приборов являются:
 фотодиодные ячейки накопления с удвоенной емкостью за счет слоя аккумуляции дырок
на их поверхности;
 встроенное под фотодиодами вертикальное устройство антиблуминга в виде n-p-n структуры с предельно низким уровнем легирования области p-кармана, обеспечивающим возможность работы в режиме электронного затвора;
 двуполярное трехуровневое управление вертикальными 4-фазными регистрами матричной
области, работающими в режиме двойной синхронизации, обеспечивающее параллельный
перенос информации из фотодиодов без импульсной активации отсутствующих в конструкции фотозатвора и разрешающего затвора;
 2-фазный выходной регистр.
Смаз изображения в матрице ФПЗС с МП составляет величинe порядка 0,1 %, что уже является вполне допустимым для создания цветного изображения. Ещё больше уменьшить смаз изображения при переносе заряда позволяет конструкция ФПЗС со строчно-кадровым переносом (СКП) –
frame-interline transfer (FIT), приведённая на рис. 3б. Несмотря на то, что заряд переносится в экранированных от света вертикальных сдвиговых регистрах, за счёт диффузии к нему во время переноса
добавляется фоновый заряд, приводящий к смазу. Если к матрице с МП добавить экранированную от
света секцию хранения, то можно с достаточно высокой частотой 1-2 МГц перенести в неё из вертикальных регистров переноса матричный массив информации, устранив таким образом и диффузионную составляющую смаза. Таким образом в матрицах СКП можно уменьшить смаз до значений 0,010,005%.
К недостаткам матриц с межстрочным переносом относится существенно меньшая площадь
фоточувствительного элемента в сравнении с матрицами с переносом кадра. Фактор заполнения в
матрицах с МП или СКП составляет 35-40 % по сравнению с матрицами с КП, так как более половины площади фоточувствительной поверхности ячейки закрыто от света за счёт встроенных в неё вертикальных регистров переноса. Для компенсации этой особенности конструкции матриц МП на фоточувствительную область матрицы наносится массив микролинз, собирающих фотоны со всей площади ячейки. Эффективность сбора фотонов за счёт применения микролинзового растра увеличивается на 30 – 40 %.
300
а)
б)
Рис. 3. Конструкция матриц ФПЗС с межстрочным переносом
4. Мировой уровень производства ПЗС
Мировой рынок ФПЗС для бытовых применений прочно занят изготовителями из Японии и
Южной Кореи. ФПЗС для специальных и промышленных применений выпускают США, Канада,
Франция, Германия, Великобритания, а также и Россия. Ведущие зарубежные фирмы, выпускающие
ФПЗС: Sony, Toshiba (Япония), Fairchild Imaging, Kodak, Texas Instruments, Perkin Elmer (Reticon),
Pixel Vision, ATMEL (США), Dalsa (Канада), Thompson (Франция) [5-11]. Причём здесь прослеживается определённая «специализация».
“Sony” является мировым лидером в создании матричных ФПЗС цветного изображения с
межкадровым переносом для бытового применения. И основные усилия направляет на создание миниатюрных полноформатных матриц МП цветного изображения оптического формата от 4/3 до 1/6
дюйма. Практически вся бытовая видеотехника, выпускаемая известными мировыми производителями, комплектуется матрицами МП разработки и производства фирмы “Sony”.
“Kodak” создаёт крупноформатные матрицы МП для специализированного телевидения черно-белого изображения. “Dalsa” и “Fairchild” кроме линейных ФПЗС черно-белого и цветного изображения и матричных ФПЗС КП выпускают матрицы с временной задержкой и накоплением (ВЗН)
для приёма движущегося изображения в условиях низкой освещенности. “Fairchild” производит и
самые большие матрицы формата 9216х9216 элементов, а также линейные ФПЗС с уровнем параметров очень высокого качества, “Texas Instruments” известна своими ФПЗС на основе “виртуальной фазы”, которые позволяют поднять чувствительность матриц КП в синей области спектра, а также матрицами с лавинным умножением заряда, позволяющим получать изображения в тёмное и ночное
время суток. “Perkin Elmer(Reticon)” выделяется созданием ФПЗС с пологой (равномерной) чувствительностью фотодиода во всём спектральном диапазоне чувствительности.
Применяются линейные и матричные ФПЗС в качестве фотоприёмников в таких областях,
как:
 бытовые телевизионные системы (форматы VHS, SVHS, HDTV);
 специализированные телевизионные системы: охрана, медицина, системы с анализом движущихся изображений, научные исследования, транспорт;
 техническое зрение роботов;
 устройства ввода изображения в ЭВМ;
 профессиональные цифровые фотокамеры;
 профессиональные цифровые телекамеры;
 бесконтактные измерительные устройства;
 наземная и космическая астрономия;
 космические исследования;
 криминалистика;
Типовая номенклатура импортных линейных ФПЗС черно-белого изображения по форматам
без привязки к производителям приведена в таблице 1. Необходимо отметить, что типоразмеров линейных ФПЗС существенно больше, т.к. они не стандартизированы и изготавливаются фирмами для
решения определённых задач. В данной таблице приведены базовые, наиболее распространённые
форматы линейных приёмников изображения с типовыми размерами фотоэлементов.
301
Таблица 1
Форматы линейных ФПЗС
Формат
Размер фотоэлемента, мкм
Длина
фотообласти, мм
512х1
14х14
7,2
1024х1
14х14
14,3
2048х1
14х14
28,6
4096х1
7х7
28,6
6000х1
10х10
60,0
8192х1
7х7
57,3
10000х1
7х7
70,0
12288х1
12288х1
6,5х6,5
8,0х8,0
79.9
98,3
14000х1
6,0х6,0
84,0
Матричные приёмники ФПЗС для телевизионной техники уже изготавливаются в соответствии с ТВ стандартом (т. е. имеют разрешение по вертикали 476 или 576 строк- соответственно для
американского или европейского стандартов разложения, формат 4:3 и соответствующее число элементов разложения по горизонтали). Матрицы ФПЗС характеризуются ещё таким параметром как
«оптический» формат, измеряемый в дюймах. Этот параметр пришёл в ПЗС из вакуумной техники,
когда в качестве фотоприёмников применялись вакуумные телевизионные трубки, и прижился. Сейчас все матричные ФПЗС кроме геометрического формата (разрешения по горизонтали и вертикали)
обязательно характеризуются величиной оптического формата. Для примера, ФПЗС оптического
формата 1 дюйм (25,4 мм) имеет диагональ фоточувствительной области равную 17 мм ( или 2/3 от 1
дюйма). То есть геометрический размер диагонали фоточувствительной области матричного фотоприёмника составляет две трети от геометрического размера оптики и связано это с необходимостью
устранить неоднородности оптической линзы, образующиеся на её краях.
Типовые оптические форматы матриц ФПЗС, использующиеся в настоящее время, приведены на рис.4. Типовые геометрические форматы матричных ФПЗС с КП – 256х256, 512х512,
1024х1024, 2048х2048, 4096х4096, 9216х9126. Размер фотоячейки от 2,75х2,77 мкм до 24х24 мкм.
Типовые геометрические форматы матричных ФПЗС с МП и СКП – 582х532, 582х752, 2160х3200.
Размер фотоячейки от 3,25х3,175 мкм до 12х12 мкм.
Рис.4. Оптические форматы матриц ФПЗС
5. Современные российские ФПЗС
Разработка и производство российских ФПЗС сосредоточены в двух научных центрах:
в г. Санкт-Петербург (ОАО «ЦНИИ «Электрон», ГУП «НПП «Электрон-Оптроник») и в г. Москве
(ФГУП «НПП «Пульсар» и ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон»). У этих предприятий также существует определённая специализация в разработке ФПЗС. Предприятия Санкт-Петербурга имеют огромный
опыт в создании матриц КП и функционально-ориентированных линейных ФПЗС и специализируются на их разработке. ФГУП НПП «Пульсар» специализируется на создании линейных ФПЗС общего
применения и матриц с межстрочным переносом.
302
5.1. ФПЗС разработки ОАО «ЦНИИ «Электрон» и ГУП НПП «Электрон-Оптроник»
ФПЗС предприятий ОАО «ЦНИИ «Электрон» и ГУП НПП «Электрон-Оптроник» изготовливаются на базе трехслойной поликремниевой технологии с объёмным однородно легированным nканалом. В конструкциях приборов активно используется ячейка с «виртуальной фазой» (например, в
3-х фазной ячейке отсутствует один физический электрод). Такая ячейка имеет участок кремния, незакрытый поликремниевым электродом, причём топологически этот участок достигает 50% площади
ячейки и более. Основное достоинство ФПЗС с «виртуальной фазой» – высокая интегральная чувствительность и большая квантовая эффективность в ультрафиолетовой области спектра (180…400
нм). Однако отсутствие сильных тянущих полей (полей от управляющих напряжений) ограничивает
тактовые частоты вывода информации. Основная специализация - создание матричных ФПЗС с кадровым переносом, а также полнокадровых матриц очень широкого конструктивного исполнения.
ОАО «ЦНИИ «Электрон» разрабатывает твёрдотельные фотоприёмники на ПЗС с середины
70 – х годов прошлого века и за это время накопил огромный опыт в создании матричных ФПЗС с
кадровым переносом заряда и функционально-ориентированных линейных ФПЗС. ЦНИИ «Электрон»
предлагает очень широкую номенклатуру матричных фотоприёмников с КП: более трёх десятков модификаций, с размером фотоячейки от 9х9 мкм до 24х32 мкм с числом элементов от 256х288 до 1024х
1152 (оптического формата 1/2, 2/3 и 1 дюйм), а также функционально-ориентированные линейные
фотоприёмники с числом элементов 500х1, 500х2, 1000х1, 1000х2, 2048х1. Размер фоточувствительной ячейки линейных ФПЗС 12х12 мкм, 26х26 мкм, 24х200 мкм, 13х500 мкм, 13х2500 мкм. Особенностью большинства линейных фотоприёмников является наличие вытянутой апертуры фоточувствительной ячейки. Это позволяет многократно увеличить чувствительность прибора и расширить диапазон спектральной чувствительности в область ультрафиолета до 0,18 мкм. В двухканальных линейных ФПЗС (500х2, 1000х2) фоточувствительные ячейки сдвинуты на половину шага относительно
друг друга, что позволяет в два раза увеличить эффективное разрешение прибора. Часть матричных
приборов поставляется также в специальном конструктивном исполнении в вакуумно-плотном корпусе с холодильником Пельтье[12].
ГУП НПП «Электрон-Оптроник» образовалось в начале 90-х годов прошлого века как дочернее предприятие ЦНИИ «Электрон». К настоящему времени – это предприятие известное своими
оригинальными разработками матричных ФПЗС с виртуальной фазой и специализированных гибридных (вакуумно-полупроводниковых) приборов.
Модернизация ФПЗС со структурой «виртуальной фазы» (ВФ ФПЗС) привела к созданию
приборов с новой структурой фоточувствительной ячейки – «2,5-фазных ФПЗС». ВФ ФПЗС новой
конструкции превосходят «классические» ВФ ФПЗС, сохраняя все их достоинства – высокую квантовую эффективность и низкий темновой ток. Они обеспечивают двунаправленный перенос зарядового
пакета, симметричную апертурную характеристику и легкость организации рекомбинационного антиблуминга. Немаловажна и простота изготовления приборов новой конструкции (что обеспечивает
приемлимую стоимость изделий).
На основе конструкции и технологии ВФ ФПЗС нового типа было создано семейство разных
по архитектуре приборов [13]:
1. ISD029
– полнокадровый (full frame) ПЗС с числом элементов 512 х 512;
2. ISD069
– двухсекционный симметричный (split full frame) ПЗС (1024 х 1024);
3. ISD077, ISD075 – двухсекционный симметричный (split full frame) ПЗС (1040 х 1160,
1225 х 1300);
4. ISD048, ISD070 и ISD079 – ПЗС с кадровым переносом (frame transfer) и числом элементов
в секциях изображения 386 х 290, 512х512 и 578 х 578, соответственно;
Все приборы выпускаются в нескольких вариантах исполнения: в неохлаждаемом плоском
корпусе со стеклянным или кварцевым входным окном, в охлаждаемом вакуумно-плотном газонаполненном корпусе со стеклянным или кварцевым входным окном, в неохлаждаемом плоском корпусе с волоконно-оптическим входным окном, в охлаждаемом вакуумно-плотном газонаполненном
корпусе с волоконно-оптическим входным окном.
На базе ФПЗС с виртуальной фазой ОАО «ЦНИИ «Электрон» и ГУП НПП «ЭлектронОптроник» разработаны гибридные (вакуумно-полупроводниковые) ТВ-приборы. Внутри приборов
этого класса вместо выходного люминофорного экрана помещен электронно-чувствительный ПЗС,
выполняющий прямое преобразование электронного изображения в выходной видеосигнал. Электронно-чувствительный ПЗС представляет собой матричный ПЗС КП с утонченной подложкой, возбуждаемый пучком ускоренных фотоэлектронов с ее тыльной стороны. При детектировании электронного изображения происходит усиление первичного фототока (причем процесс усиления – малошумящий, в силу своей непуассоновской природы).
Благодаря малым собственным шумам и высоким значениям частотно-контрастной характеристики на высоких пространственных частотах (перепадов черное-белое – приблизительно от частоты Найквиста), гибридные приборы обеспечивают высокое качество телевизионного изображения
мелких деталей объектов даже в условиях предельно низкой освещенности (10 -5 лк).
303
5.2. ФПЗС разработки ФГУП «НПП «Пульсар» и ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон»
ФПЗС ФГУП «НПП «Пульсар» и ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» изготавливаются по технологии объёмного однородно легированного и профилированного n-каналов с двухслойным поликремнием, обеспечивающей возможность вывода информации на тактовых частотах до 40 МГц. Специализацией ФГУП НПП «Пульсар» является разработка линейных ФПЗС широкой номенклатуры
общего применения, матричных ФПЗС с межстрочным переносом и матричных ФПЗС ВЗН высокого
разрешения. Дополнительным достоинством фотоприёмников производства ФГУП «НПП «Пульсар»
и ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» является возможность поставки комплекта, включающего кроме
самого фотоприёмники микросхему управления и драйвер.
ФГУП «НПП «Пульсар» начал разрабатывать твердотельные фотоприемники на ПЗС с начала 70-х годов прошлого века ещё по технологии поверхностного p-кармана с однослойными молибденовыми электродами. В процессе совершенствования технологии накапливался огромный технологический и конструкторский опыт, который и позволил в конце 90-х годов поставить технологию изготовления кристаллов линейных и матричных ФПЗС на кристальном производстве ОАО «НИИМЭ и
завод «Микрон», обладающего одной из самых совершенных технологических баз полупроводникового производства кристаллов на пластинах диаметром 100 и 150 мм в современной России.
В настоящее время разработаны и производятся три серии линейных ПЗС-фотоприёмников,
общие характеристики которых приведены в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики линейных ФПЗС
Тип ФПЗС
МРL 256 В
МРL 1024 В
Тип организации
Формат
Билинейная
два регистра,
два выхода
256х1
МРL 2048 В
МРL 1024 S
МРL 2048 S
Линейная
один регистр,
один выход
МРL 4096 Н
МРL 8192 Н
МРL 12288 Н
13х13
1024х1
Билинейная
два регистра,
один выход
Длина
фотообласти,
мм
3,3
Антиблуминг
нет
13,3
2048х1
МРL 4096 S
МРL 6144 Н
Размер
элемента,
мкм
26,6
1024х1
13х13
2048х1
13,3
есть
26,6
4096х1
53,2
4096х1
26,6
6144х1
6,5 х 6,5
39,9
8192х1
53,2
12288х1
79,8
есть
ФПЗС серии В имеют билинейную организацию. Фоточувствительные элементы представляют собой фотодиоды квадратной формы с линейным размером 13 мкм. Фотодиоды отделены друг
от друга диффузионными стоп-каналами, а их поверхность покрыта пассивирующим слоем двуокиси
кремния, прозрачным для света. Поэтому фактор заполнения фоточувствительной ячейки составляет
100%. Фотоны оптического изображения проходят сквозь прозрачный слой двуокиси кремния и поглощаются в монокристалле кремния, порождая электронно-дырочные пары. Электроны, генерированные фотонами, аккумулируются в фотоячейке (в фотодиоде или под фотозатвором). Величина
заряда, накопленного в каждой фотоячейке, является линейной функцией интенсивности падающего
светового потока и времени интегрирования.
Выходное устройство представляет собой двухкаскадный эмиттерный повторитель на основе плавающей диффузионной области с расположенным между каскадами транзистором выборки –
хранения. Зарядовые пакеты переносятся в предварительно заряженный диод, потенциал которого
изменяется линейно в зависимости от величины доставленного заряда. Этот потенциал прикладывается к затвору n-канального МОП–транзистора, порождая сигнал, который проходит через транзистор
выборки–хранения к выходному узлу. Транзистор выборки–хранения является ключом в выходном
усилителе, который обеспечивает стробированную форму выходного сигнала.
ФПЗС серии S имеют линейную организацию, один двухфазный сдвиговый регистр и одно
выходное устройство и представляют собой линейные твердотельные датчики изображения на 1024,
2048 и 4096 элементов соответственною. Они снабжены устройством планарного антиблуминга, который обеспечивает возможность работы приборов этой серии в режиме электронного затвора и при
сильных локальных пересветках, увеличивая динамический диапазон на три порядка.
304
ФПЗС серии Н имеют билинейную конструкцию и одно выходное устройство. Фотоэлементы
приборов квадратной формы, имеют размер 6,5х6,5 мкм и расположены без зазора с шагом 6,5 мкм.
Поэтому фактор заполнения фоточувствительной ячейки так же, как и для предыдущих приборов составляет 100%. Приборы снабжены 2,5 каскадным выходным устройством, имеющим высокий коэффициент преобразования заряд/напряжение, составляющее величину порядка
12мкВ/электрон, и обеспечивающим линейность преобразования во всём динамическом диапазоне и
диапазоне тактовых частот до 20 МГц.
ФПЗС разработаны для быстродействующих сканирующих систем, обеспечивающих факсимильную передачу, распознавание оптических образов и т.п., которые требуют высоких разрешающей способности, чувствительности и скорости вывода данных.
Матричные ФПЗС с межстрочным переносом имеют три модификации с числом элементов
500х582 и 756х581 (оптического формата 2/3 дюйма) и 752х582 (оптического формата 1/2 дюйма).
Приборы с числом элементов 756х581 и 752х582 имеют в конструкции встроенное устройство вертикального антиблуминга, прибор с числом элементов 500х582 содержит устройство планарного антиблуминга. Оба устройства антиблуминга кроме предотвращения расплывания изображения при
локальных пересветках позволяют легко реализовывать электронное управлению временем экспозиции.
Монтируются приборы всех серий в металлокерамические корпуса из черной керамики и
герметизируются оптически прозрачным в диапазоне 0,3-1,1 мкм окном.
6. Заключение
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью на сегодняшний день – одно из самых востребованных изделий микроэлектроники. Они применяются практически во всех областях, где требуется прием и обработка изображений. Уникальная фотонная аппаратура для научных исследований в
космосе, экологии, биологии и медицине, аэрокосмические и наземные системы технического зрения
для промышленности, факсимильные аппараты – это малая толика систем и устройств, создание которых стало возможным с появлением твёрдотельных приёмников изображения на основе ПЗС. Ведущие зарубежные фирмы предлагают широчайший выбор ФПЗС для любых приложений. Отечественные ФПЗС уступают зарубежным аналогам по предельным значениям параметров. В то же время, последние научно-исследовательские работы в области ФПЗС и значительное усовершенствование технологической базы говорят о явном подъеме этого направления отечественной микроэлектроники и позволяют смотреть на будущее российских ФПЗС с оптимизмом. В России в настоящее время производятся практически все типономиналы известных линейных и матричных приемников
изображения. Разработаны линейные ФПЗС с размерами элементов 6,5х6,5 мкм формата до 12288х1 и
матричные ФПЗС формата до 1125х1300 элементов. Конкурентоспособными сегодня остаются оригинальные отечественные разработки bФПЗС специального назначения, которые базируются на высоком научном потенциале предприятий-разработчиков.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Boyle W.S., Smith G.E. Bell Syst. Tech. J. - 1970. - Р. 587-593.
Барб Д.Ф., Кэмпана С. Изображающие приборы с зарядовой связью // Достижения в технике
воспроизведения изображений. - М.:Мир, 1980. - Т. 3. - С. 180-305
Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. - М.:Мир, 1978.
Кузнецов Ю.А., Шилин В.А. Микросхемотехника БИС на приборах с зарядовой связью. –
М.:Радио и связь, 1988.
KODAK Image Sensor Solutions. Website www.kodak.com/go/ccd.
Atmel Corporation.Website www.atmel.com.
SONY CCD Area Image Sensors.Website: products.sel.sony.com/semi.
DALSA. 2001 Product Catalog. Document Number 03-70-00091 Revision 02.
Perkin Elmer. Website: www.perkinelmer.com/opto.
Fairchild Imaging. Website: www.fairchildimaging.de.
Texas Instruments. Website: www.ti.com.
ОАО «ЦНИИ «Электрон». Website: www.electron.spb.ru.
ГУП «НПП «Электрон-Оптроник». Website: www.silar.spb.ru.
305