ES2927824T3 - Sistema y método de detector de infrarrojos - Google Patents

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Abstract

Sistema detector de infrarrojos y método Se describe un sistema detector de infrarrojos que comprende una matriz de diodos detectores (3) y una memoria no volátil (1). La memoria no volátil (1) utiliza la tecnología CMOS Silicon Fuse, que a menudo son dispositivos de polisilicio que se programan utilizando perfiles de voltaje-corriente-tiempo adecuados para la tecnología de proceso de silicio, de modo que, cuando se aplica, hace que el elemento de polisilicio se caliente rápidamente y se derrita. Esto da como resultado que el elemento fusible se abra en circuito, al igual que un fusible convencional. Esta es una operación irreversible que se puede usar para configurar datos en el fusible que realiza la función de memoria programable una sola vez. De esta manera, el fusible actúa como un elemento lógico que tiene un estado lógico permanente, programable por el usuario y de una sola vez. Una matriz de tales celdas de memoria se asigna a una matriz de detectores de diodos de subpíxeles. Cada celda de memoria de este tipo se mapea uno a uno con un interruptor de control de subpíxel que conecta cada elemento de diodo detector de subpíxel a un nodo de conexión de usuario. Por lo tanto, los datos en la celda de memoria pueden controlar el interruptor y, por lo tanto, la configuración y el funcionamiento de cada detector de diodo de subpíxel conectado en la matriz. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método de detector de infrarrojos
Esta invención se refiere a un método y un sistema detector de infrarrojos (IR). Más específicamente, pero no exclusivamente, se relaciona con un sistema detector de IR equipado con tecnología Fusible de Silicio como memoria no volátil para configurar y controlar el tamaño de la matriz de elementos de diodos del detector, la estructura de macro píxeles y anular la selección de elementos.
Es un problema que el rendimiento de los fotodiodos de gran área pueda verse afectado por defectos localizados que surgen del crecimiento de sus materiales semiconductores o de su proceso de fabricación. Este problema afecta, pero no se limita a, los fotodiodos en el semiconductor telururo de mercurio cadmio (MCT), en los que los sitios dañados en la red cristalina del semiconductor exhiben conductividad eléctrica. En consecuencia, cualquier sitio dañado que coincida con la unión p-n de un fotodiodo crea una ruta de fuga eléctrica en paralelo con la unión pn que está asociada con el exceso de corriente eléctrica y ruido en el funcionamiento del fotodiodo.
Aunque los sitios dañados (defectos) pueden tener un tamaño microscópico, su influencia puede tener un efecto perjudicial importante en el rendimiento del fotodiodo. Esta invención describe un método para suprimir la influencia de los defectos añadiendo un mínimo de complejidad a los parámetros operativos del fotodiodo.
En conjuntos de imágenes convencionales, cada píxel en una matriz de píxeles está conectado a un circuito de lectura que realiza la multiplexión por división en el tiempo de las señales eléctricas de los píxeles y exporta las señales a través de uno o más canales de salida. En matrices de formación de imágenes formadas, por ejemplo, en MCT, la matriz de píxeles de MCT a menudo se une al circuito de lectura mediante un enlace de carga de indio y el circuito de lectura tiene la forma de un IC de silicio.
También es un problema que cuando las matrices de foto detectores de imágenes infrarrojas que utilizan la tecnología IC de Lectura CMOS (ROIC) se configuran mediante una arquitectura de subpíxeles configurada bajo el control de la memoria, la memoria suele ser volátil, por lo que requiere programación cada vez que se conecta y se utiliza el dispositivo. Los subpíxeles son elementos detectores de diodos unitarios que están conectados para formar elementos detectores equivalentes más grandes, por ejemplo, nivel de píxel o macro píxel. La memoria se utiliza para configurar los parámetros de la matriz, por ejemplo, el tamaño de la matriz, el área de detección o la agudeza, o para configurar macro píxeles o anular la selección de elementos detectores defectuosos para mejorar el funcionamiento, la uniformidad o el rendimiento, ya sea individualmente o en combinación. La memoria se conecta a transistores que controlan el funcionamiento y/o la interconexión de los elementos detectores de subpíxeles. La escritura de datos en la memoria hace funcionar los transistores para controlar la configuración y el funcionamiento de la matriz. Dichos enfoques de la técnica anterior se utilizan a menudo debido a la simplicidad y robustez de la tecnología de memoria, la disponibilidad de un interfaz de programación adecuado en la electrónica anfitrión y para admitir una función de programación de usuario de por vida para mantener la flexibilidad en la configuración de la matriz de subpíxeles.
Para los sistemas de detección que requieren una arquitectura de subpíxel pero que no requieren una reconfiguración a lo largo de la vida, este enfoque requiere que el sistema electrónico anfitrión proporcione un interfaz de programación de memoria para configurar la matriz de detectores cada vez que se conecta y se usa el dispositivo. Esto agrega costo, complejidad, tamaño, peso y potencia al sistema electrónico anfitrión.
Para aplicaciones que utilizan un Detector de Fotoconductor (PC) convencional, el uso de un ROIC de silicio alternativo suele ser poco práctico o económico; La tecnología PC generalmente funciona como un dispositivo de dos terminales que proporciona un detector compacto con un interfaz de usuario muy simple. El uso de un enfoque de detector fotovoltaico (PV) convencional utiliza invariablemente un sustrato de silicio para fabricar la matriz de diodos del detector que también tiene microcircuitos asociados para proporcionar funciones de control para la matriz de diodos del detector.
Con las características de una matriz de formación de imágenes convencional, se puede producir un fotodiodo de área grande. Siguiendo el ejemplo de MCT, una matriz de múltiples píxeles pequeños está unida por cargas de indio a un circuito de silicio que puede combinar en paralelo las señales de un conjunto arbitrario de toda la matriz de píxeles mediante la configuración externa del IC de lectura para seleccionar los píxeles de interés. Los diodos de área grande se simulan seleccionando uno o más bloques de píxeles contiguos, combinando las señales individuales dentro del bloque y exportando las señales combinadas fuera del IC de lectura.
Esta tecnología se vuelve útil y económica para conjuntos más grandes donde el silicio incorpora el ROIC ampliamente conocido para configurar y controlar un gran conjunto de detectores que tiene un interfaz de programación y control de usuario y, por lo general, circuitos activos para procesar las corrientes del foto detector en tensiones de señal utilizables para cada elemento del detector. Se apreciará que tal tecnología PV es más compleja para el usuario final ya que requiere programación en cada conexión y uso, tiene circuitos de procesamiento de señales que disipan energía eléctrica significativa y tiene un interfaz de usuario más complejo. Los dispositivos son físicamente más grandes, cuesta más diseñarlos, fabricarlos, probarlos y encapsularlos.
Además, el IC de lectura se puede configurar para seleccionar todos los píxeles de la matriz individualmente y para procesar y emitir sus señales, por lo que se puede realizar una evaluación de cada píxel individual para determinar sus características de diodo y su ruido eléctrico, y para clasificar el píxel como normal o defectuoso. De este modo, los píxeles defectuosos pueden eliminarse de los bloques que definen un diodo de área grande y el rendimiento del diodo de área grande puede optimizarse seleccionando solo aquellos píxeles que contribuyen positivamente a la relación señal/ruido general del diodo de área grande. .
El documento WO2007/036055 describe un sistema en el que comprende un mapa de defectos que identifica píxeles defectuosos en una matriz de sensores. El procesador de imagen utiliza el mapa de defectos para llevar a cabo el procesamiento posterior de los datos de imagen emitidos desde un sensor de imagen para compensar los defectos en los datos de imagen como resultado de los píxeles defectuosos identificados por el mapa de defectos. El documento US2006083095 describe un circuito integrado que tiene funciones y características programables en las que se utilizan memorias programables una sola vez (OTP) para realizar una función de memoria no volátil. El documento JP09284656 describe una unidad de captación de imágenes de estado sólido.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema detector de infrarrojos de acuerdo con la reivindicación 1.
La presente invención proporciona una solución que obtiene los beneficios de la matriz de subpíxeles configurable pero conserva la simplicidad del interfaz de usuario mediante el uso de la tecnología Portador de Fusible de Silicio . La complejidad del interfaz ROIC y la configuración de la memoria del usuario se reemplazan por una matriz de fusibles de silicio que se configuran en la fabricación del dispositivo para configurar permanentemente la matriz de subpíxeles como parte del proceso de prueba de fabricación. Por lo tanto, los dispositivos fabricados necesitan un interfaz de usuario mucho más simple y retienen el mapa de configuración del elemento de diodo detector indefinidamente. Un patrón de píxeles seleccionados, una vez configurado, se puede fijar de forma permanente mediante el uso de una estructura de memoria no volátil en el circuito de silicio. De esta forma se minimiza el número de conexiones externas necesarias para el funcionamiento posterior de los diodos de gran área.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un método para suprimir defectos en un sistema detector de infrarrojos de acuerdo con la reivindicación 2.
La invención se describirá ahora con referencia a los siguientes dibujos esquemáticos en los que:
La figura 1 es un dibujo esquemático de una forma de la arquitectura de Portador de Fusible de Silicio (SFC) que muestra una matriz de diodos detectores de infrarrojos MCT hibridada con circuitos de Silicio que contienen una matriz de interruptores de conexión bajo control de memoria para simplificar el interfaz de usuario. Se muestra un ejemplo de matriz de macro píxeles de 3x3 donde cada uno está formado por 9 subpíxeles; y
la figura 2 es un esquema de una forma de diagrama de circuito para la presente invención en la que un diodo se muestra como un elemento de una pluralidad de tal número de diodos detectores; debe tenerse en cuenta que las conexiones de polarización de la fuente de alimentación se omiten para mayor claridad.
El SFC como se describe con referencia a la presente invención se puede realizar utilizando un proceso de silicio CMOS normalizado. Esto es ampliamente disponible y la tecnología es bien conocida. La arquitectura SFC se muestra en la figura 1. Los elementos del circuito principal son circuitos de memoria 1 que se conectan a controles 2 conmutados para configurar la matriz de detectores 3 y/o para anular la selección de subpíxeles defectuosos de las estructuras de píxeles o macro píxeles. La memoria 1 no es volátil y, a menudo, se denomina Memoria Programable de Una Sola Vez (OTP).
En una realización particular de la memoria 1 se utilizan celdas de memoria Fusible de Silicio. Estas generalmente se forman a partir de un dispositivo de poli silicio que está programado, usando un perfil de tensión-corriente-tiempo adecuado para la tecnología de proceso de silicio, de modo que cuando se aplica, el elemento de poli silicio se calienta rápidamente y se derrite. Esto da como resultado que el elemento fusible se convierte en un circuito abierto, de manera similar a cuando se quema un fusible convencional. Esta es una operación irreversible que puede valer para configurar datos en el fusible que realiza la función de memoria OTP. Otras formas de fusible son igualmente válidas y están ampliamente disponibles como componentes en procesos CMOS de fundición de silicio. Las realizaciones con fusión de silicio también se denominan anti fusible, ya que la función deseada se logra al fundir el fusible. La nomenclatura utilizada no limita en modo alguno el alcance o la función de esta innovación.
Independientemente de cómo se realice, el fusible actúa como un elemento lógico que tiene un estado lógico permanente y programable por el usuario una sola vez, es decir, memoria programable una sola vez. Una matriz de dichas celdas de memoria puede mapearse en una matriz de detectores de diodos de subpíxeles. Cada celda de memoria de este tipo se mapea una a una con un interruptor de control de subpíxel que conecta cada elemento de diodo detector de subpíxel a un nodo de conexión de usuario. Por lo tanto, los datos en la celda de memoria pueden controlar el interruptor y, por lo tanto, la configuración y el funcionamiento de tal detector de diodo de subpíxel conectado en el conjunto.
De esta forma, el usuario solo necesita acceder a los terminales que están conectados internamente mediante el mapeo de memoria a la matriz de diodos detectores de subpíxeles configurada. Se requiere una tensión de polarización simple para operar la memoria. El uso de la tecnología CMOS da como resultado una disipación de energía casi nula de la memoria del Portador de Fusible de Silicio.
La memoria OTP se configura permanentemente como parte del ciclo de fabricación, donde el mejor rendimiento de la matriz de detectores se determina mediante pruebas y mediciones, y luego la configuración se programa en la memoria. Cuando se utiliza el detector, la memoria se polariza y la configuración de la matriz se aplica sin necesidad de volver a programar la memoria.
El SFC se fabrica instalando los interruptores de control de diodos detectores de memoria y subpíxeles debajo de la matriz de diodos del detector para proporcionar una disposición de circuito compacta y minimizar el tamaño total del detector.
El sustrato de silicio proporciona las conexiones eléctricas 4 a los macro píxeles como se ilustra en la figura 1. En este ejemplo, un macro píxel 3 es un pequeño grupo de subpíxeles que están conectados entre sí para formar una estructura detectora equivalente más grande. El sustrato también proporciona conexiones 4 para operar el dispositivo durante la prueba y medición de fábrica y para configurar la memoria.
En la figura 2 se muestra un esquema eléctrico de ejemplo del concepto SFC. Se puede ver que el circuito es del tipo de Inyección Directa que se ha utilizado solo con fines de simplicidad y descripción. Se apreciará que el concepto SFC no se limita de ningún modo a esta configuración de circuito y es igualmente aplicable a todas las demás configuraciones de diodos detectores y circuitos eléctricos. El diodo detector D1 se muestra como un elemento de una pluralidad de dichos elementos detectores formados en una matriz de tales diodos detectores. Cada elemento del diodo detector se asigna a una celda de memoria de Fusible de Silicio que puede controlar el funcionamiento del diodo por medio de interruptores de transistor. En este ejemplo, se muestra una función de anulación de prueba para ilustrar cómo se puede realizar un medio paralelo de control del diodo para evaluar su rendimiento. La forma del registro de desplazamiento no es importante y otros medios para proporcionar una función de prueba equivalente son igualmente válidos.
El circuito funciona de la siguiente manera. El diodo detector D1 está conectado entre el terminal COMÚN y la fuente del transistor M1. La tensión aplicada al terminal DIG se conecta a la puerta del transistor M1. Por lo tanto, el diodo está polarizado en la tensión DIG menos el umbral del transistor Vt. El drenaje del transistor M1 se conecta al transistor M2 que funciona como un interruptor, por lo que una alta tensión aplicada a la puerta del transistor M2 activará el transistor formando una ruta eléctrica al terminal OUT. La puerta del transistor M2 es gobernada por U1 que funciona como un amplio selector AND-OR 2 de acuerdo con la tabla de la verdad 1. Cuando TEST_EN se pone en BAJO, entonces Y=A y la puerta del transistor M2 es controlada por los datos en la celda de memoria U2 SFC. Cuando TEST_EN se pone en ALTO, entonces Y=B y la puerta del transistor M2 es controlada por los datos en la etapa 'n' de un registro de desplazamiento U3. El terminal de habilitación de prueba se muestra con una resistencia a masa Rpd, de modo que cuando este terminal se deja en circuito abierto, el estado lógico vuelve al estado BAJO, lo que asegura que el circuito SFC incumple el caso Y = A y, por lo tanto, los datos en la celda de memoria SFC controlan la conexión eléctrica en este caso de D1 al terminal OUT. La polaridad de los datos es tal que el escribir un dato '1' se usa para deseleccionar el diodo bajando la tensión de control 'A' que se considera BAJO en este ejemplo.
Tabla 1
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Los datos en serie se escriben en el registro de desplazamiento utilizando las señales de interfaz normalizadas auto explicativas Reloj de Datos Serie (SRL_CK) y Datos Serie (SRL_DA) para seleccionar un diodo detector individualmente o junto con otros, por ejemplo, para fines de prueba y medición. Una vez evaluados, los datos se usan para determinar una configuración de la matriz que puede evaluarse más usando una palabra de datos serie compuesta. Cuando se complete para cada agrupación de macro píxeles del elemento de diodo del detector o configuración de la matriz de detectores, se habrá determinado la configuración de la matriz de diodos del detector o el mapa de anulación de selección que luego se puede usar para programar las celdas de memoria de Fusible de Silicio.
Si bien la tecnología de celdas de memoria de Fusible de Silicio es propiedad de cada una de las fusiones de silicio, la realización específica no es objeto de esta innovación. Para una celda de memoria de Fusible de Silicio dada, habrá circuitos de interfaz y control asociados que no se ilustran aquí debido a la diversidad de su realización y funcionamiento para permitir la programación y el direccionamiento de la celda de memoria de Fusible de Silicio de destino. Con fines de descripción, se utilizan señales que se explican por sí mismas para ilustrar el método en el que cuando se activa la señal de Habilitación de Escritura (WR_EN), los datos B presentados en el registro de desplazamiento (U3) se conectan al nodo de entrada de datos de la celda de memoria SFC (Din) y se escriben en la celda de memoria de Fusible de Silicio activando la tensión de programación (V_PROG).
La señal de control (TEST_EN) se usa para permitir que la memoria de Fusible de Silicio se ignore, lo que permite que los elementos de diodo de subpíxeles individuales se midan individualmente y en combinación para determinar y optimizar los datos de programación de la memoria como una función de prueba de fábrica.
Es una característica del sistema descrito que después de probar o programar, la configuración del diodo se puede evaluar más y se puede deseleccionar más diodos reprogramando la memoria de Fusible de Silicio usando esta función de prueba.
Es una característica adicional del presente sistema que la configuración del diodo se puede determinar y usar en lugar de usar la memoria de Fusible de Silicio en cualquier momento activando la señal de control (TEST_EN) lo que asigna los datos del registro de desplazamiento directamente.
Además, los datos de la memoria de Fusible de Silicio generados pueden usarse para anular la selección de un elemento de diodo detector en particular. De esta forma, después de la programación, si un elemento detector se vuelve defectuoso, puede ser anulado mediante una programación adicional de la celda de memoria de Fusible de Silicio.
Se apreciará que la disposición de píxeles que se muestra en la figura 1 se proporciona para ilustrar los principios de la tecnología SFC en la formación de una configuración de matriz en particular y de ninguna manera restringe otras realizaciones de píxeles o macro píxeles para la tecnología SFC.
Se apreciará que la tecnología SFC se puede utilizar para configurar el tamaño, el formato y la forma de los píxeles o macro píxeles que no se limitan al formato que se muestra en la figura 1, que se proporciona únicamente a modo de ejemplo. Otros tamaños, formatos o formas de píxeles o macro píxeles son igualmente válidos en la aplicación de la tecnología SFC.
También se apreciará que el mapa de memoria de Fusible de Silicio puede ignorarse y establecerse la configuración de diodo en la preferencia del usuario simplemente usando la memoria volátil formada en este caso usando el registro de desplazamiento (U3).

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema detector de infrarrojos que comprende una matriz (3) de diodos detectores de infrarrojos de subpíxeles, SPIDD y una memoria no volátil (1): caracterizado por que
los SPIDD de un píxel se conectan entre sí a través de interruptores de control de subpíxel respectivos a un nodo de conexión de usuario del píxel de manera que las salidas de los SPIDD conectados se combinan para proporcionar una salida combinada del píxel en el nodo de conexión de usuario;
la memoria no volátil se compone de celdas de memoria CMOS de Fusible de Silicio; y
por que cada una de las celdas de memoria CMOS de Fusible de Silicio se mapea una a una con un interruptor de control de subpíxel para controlar el interruptor de control de subpíxel para desconectar los SPIDD defectuosos del píxel del nodo de conexión de usuario del píxel.
2. Un método para suprimir defectos en un sistema detector de infrarrojos, que comprende un conjunto (3) de diodos detectores de infrarrojos de subpíxeles, SPIDD, y una memoria no volátil (1); caracterizado por que los SPIDD de un píxel se conectan entre sí a través de interruptores de control de subpíxeles respectivos a un nodo de conexión de usuario del píxel de manera que las salidas de los SPIDD conectados se combinan para proporcionar una salida combinada del píxel en el nodo de conexión de usuario;
la memoria no volátil se compone de celdas de memoria CMOS de Fusible de Silicio; y
por que cada una de las celdas de memoria CMOS de Fusible de Silicio se mapea una a una con un interruptor de control de subpíxel para controlar el interruptor de control de subpíxel para desconectar los SPIDD del píxel del nodo de conexión de usuario del píxel; y
en el que el método comprende desconectar un SPIDD defectuoso del píxel del nodo de conexión de usuario del píxel.
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