RU21698U1 - Билинейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью - Google Patents

Description

БИЛИНЕЙНЫЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ НРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ

Билинейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью относится к полупроводниковой электронике, а именно к устро1 ствам для преобрг13ования оптических изображений в электрические сигналы. Он может быть использован в системах обнаружения, передачи и анализа изображений.

Известны полупроводниковые формирователи сигналов изображения 1. В этих устройствах световое излучение, проникающее в полупроводниковую подложку, генерирует в ней электронно-дьфочные пары. Эти пары разделяются на р-п переходе фотодиодов. Не основные носители заряда, например, электроны переходят из фотодиодов в примыкающие к ним потенщ альные ямы. Эти потенциальные ямы создаются электрическим напряжением, приложенным к электродам, нанесенным на слой диэле}стрика, покрывающего полупроводниковую подложку. Вывод этих зарядов для считывания происходит путем переноса потенциальных ям вдоль поверхности полупроводниковой подложки под действием приложенного к электродам тактового напряжение.

Недостатком таких относительно простых устройств является пониженная точность фотоэлектрического преобразования, которая связана с недостаточной эффективностью переноса зарядов, с притоком зарядов с участков, незанятых

МКИ H01L31/10

СВЯЗЬЮ

функциональными элементами, с наводками от напряжений, управляющих выходным устройством, а также с тем, что выходное сигнальное напряжение представляется импульсами, которые значительно короче скважности между ними.

Аналог предлагаемого устройства - фоточувствительный прибор с зарядовой связью, который имеет ряд фотодиодов, по обеим сторюнам которого расположены секции накопления и переноса зарядов, а также выходные регистры, имеющие с этими секциями и с фотодиодами последовательную зарядовую связь, при этом конечные участки регистров сделаны сходящимися к общему для них выходному устройству 2.

В этом аналоге один регистр выводит заряды от четных фотодиодов, а другой от нечетных. Так как число передач зарядов по этим регистрам вдвое меньще, чем было бы при одном одностороннем регистре, то этим вдвое уменьщено влияние неэффективности передачи зарядов. В общее выходное устройство заряды для считывания поступают поочередно от обоих регистров. Тем самым скважность между импульсами выходного сигнала также уменьщена здесь вдвое. Кроме того, общее выходное устройство устраняет ту разность выходных сигнальных напряжений, которая возникает при раздельных выходных устройствах из-за их неполной идентичности.

Недостатком аналога является отсутствие защиты от паразитных зарядов, приводящих к появлению дополнительных щумов, что снижает точность фотоэлектрического преобразования, а также отсутствие защиты выходного сигнала от наводок от управляющих напряжений.

На11более близким по технической сущности к предлагаемому устройству является билинейный прибор с зарядовой связью, содержащий две линейки, каждая из которых имеет ряд фотодиодов, по обеим сторонам которого расположены секции накопления и переноса зарядов, а также выходные регистры, имеющие с этими секциями и с фотодиодами последовательную зарядовую связь, при этом сами линейки

расположены с поворотной симметрией и имеют продольное смещение относительно

друг друга на половину шага фотодиодов 3.

Как и в аналоге, размещение выходных регистров в этом приборе по обеим сторонам ряда фотодиодов уменьшает вдвое погрешность от неэффективности переноса зарядов. Благодаря тому, что одна линейка имеет продольное смещение относительно другой на половину шага фотодиодов, становится возможным формирование общего сигнала с обоих линеек путем мультиплексирования последовательности их сигналов, что увеличивает число разрешающих элементов вдвое, по сравнению с каждой отдельной линейкой.

Направление переноса зарядов в одной линейке противоположно направлению переноса зарядов в другой. Это позволяет производить коррекцию искажений формы сигнала, вызываемых неэффективностью переноса зарядов по выходным регистрам. Результирующий мультиплексированный сигнал от обеих линеек имеет при этом одинаковую форму переднего и заднего фронтов, вследствие чего улучшается качество получаемого изображения.

Одним из недостатков прототипа, как и аналога, 5шляется отсутствие защиты от паразитных зарядов, что в конечном счете приводит к снижению точности фотоэлектрического преобразования. Другим недостатком прототипа, как и аналога, является отсутствие каких - либо структур, уменьшающих наводки на выходной сигнал от управляющих напряжений. Дополнительный недостаток состоит в том, что выходные регистры в линейках прототипа имеют отдельные выходные устройства. Вследствие их неполной идентичности это может приводить при прочих равных условиях к определенной разности выходньгх сигнальных напряжений.

Задача решаемая заявляемой полезной моделью состоит в создании билинейного фоточувствительного прибора, с защитой от паразитных зарядов.

приводящих к появлению дополнительных шумов с повышенной точностью

фотоэлектрического преобразования, лишенного недостатков аналога и прототипа.

Задача решается тем, что в известном билинейном фоточувствительном приборе с зарядовой связью, содержащем две линейки, каждая из которых имеет ряд фотодиодов, по обеим сторонам которого расположены секщш накопления и переноса зарядов, а также выходные регистры, имеющие с этими секщ1ями и с фотодиодами последовательную зарядовую связь, при этом сами линейки расположены с поворотной симметрией и имеют продольное смещение относительно друг друга на половину шага фотодиодов, конечные участки регистров в каждой линейке сделаны сходящимися к общему для них истоковому повторителю, вьшолненному двухкаскадным с соединяющим эти каскады транзистором, затвор которого отделен от его стока и истока экранирующими электродами.

Схождение регистров к общему для них истоковому повторителю устраняет ту разность выходных напряжений, которая возникает при наличии отдельных истоковых повторителей у регистров. Наличие экранирующих электродов снижает уровень наводок на выходной сигнал от управляющих напряжений. Все это приводит к повьщгению точности фотоэлектрического преобразования.

Еще одним отличием является расположение с внещней стороны каждого выходного регистра буферного регистра, электроды которрго соединены с электродами выходного регистра.

Наличие буферных регистров устраняет притрк паразитных зарядов к функциональным элементам, что снижает уровень щумов в выходном сигнале.

На Фиг. приведена схема предлагаемого билинейного фоточувствительного прибора. Этот прибор имеет в каждой из его двух линеек ряд открытых для света фотодиодов и по несколько закрыгых от света фотодиодов на краях их ряда, которые нужны для определения нулевого уровня фотоэлектрического сигнала.

Соответственно обозначениям, указанным на рисунке, прибор содержит следующие структурные элементы: 1 и 22 - полупроводниковая подложка; 2 и 23 третьи фазные электроды регистров; 3 и 24 - первые фазные электроды регистров; 4 и 25 - четвертые фазные электроды регистров; 5 и 26 - второй входной электрод регистра А; 6 и 27 - входной диод регистра А; 7, 28 - электрод переноса; 8,29 - барьерные электроды фотодиодов; 9 и 30 - сток антиблюминга; 10 и 31 - электроды накопления; 11 и 32 -вторые фазные электроды регистров; 12 и 33 - входной диод регистра А; 13 и 34 - первый входной электрод регистров; 14 и 35 - второй входной электрод регистра Б; 15 и 36 - выходной барьерный электрод регистров; 16 и 37 - электрод сброса; 17 и 38 - опорный электрод; 18 и 39 - затвор нагрузочного транзистора; 19 и 40 затвор транзистора выборки; 20 и 41 - стоки выходных транзисторов; 21 и 42 - исток выходного транзистора.

Все функциональные элементы прибора изготовляются в интегральном исполнении по поликремниевой планарной технологии.

Фоточувствительными элементами служат фотодиоды, отделенные друг от друга стопорными диффузионными шинами. Четные фотодиоды имеют зарядовую связь через секцию накопления и переноса зарядов с одним считывающим регистром, а нечетные - с другим. На фотодиодах поддерживается напряжение в запорном направлении, которое определяется напряжением на барьерных электродах ( выводы 8 и 29 ). Фотогенерированные заряды при экспозиции в пределах динамического диапазона уходят из фотодиодов в секцию переноса зарядов, а при пересветке избыточные заряды уходят в секцию антиблуминга. Сток в секцию накопления и сток в секцию антиблуминга происходит с концов фотодиода.

Секции накопления расположены по обе стороны от ряда фотодиодов и состоят каждая из барьерного электрода ( вьшоды 8 и 29 ), электрода накопления ( выводы 10 и 31); и электрода переноса ( вьгаоды 7 и 28 ). Заряды от четных фотодиодов 5

накапливаются под накопительным электродом одной секции накопления, а от нечетных - другой. В период накопления на электрод накопления подают напряжение, которое индуцирует под этим электродом более глубокую потенциальную яму, чем под барьерным электродом, а на электрод переноса подают запирающее напряжение. Для вывода накопленных зарядов в считывающий регистр подают отпирающее напряжение на электрод переноса, а затем последовательно запираюющее напряжение на электрод накопления и электрод переноса.

Секция антаблуминга содержит соединение соединенные вместе сток и электрод антиблуминга (выводы 9 и 30). Эта секция служит для вывода избыточных зарядов, переполняющих фотодиод и потенциальные ямы под барьерным электродом и электродом накопления, чтобы избежать перетекания избыточных зарядов на соседние фотодиоды в местах локальной пересветки. Для этого на сток и электрод антиблуминга подают напряжение, индущфующую меньщую потенциальную яму, чем под барьерным электродом (вьюоды 8 и 29).

В зависимости от уровня освещенности устанавливают один из двух режимов накопления зарядов. Первый - для тех уровней освещенности, при которых накопление фотогенерированньгх зарядов не приводит к предельному заполнению потенциальных ям. Второй - для тех уровней освещенности, при которых допустимо накапливать только часть фотогенерированных зарядов, чтобы заполнение потенциальных ям не было предельным.

При работе во втором режиме в отличие от первого на электрод и сток антиблуминга (вьгаоды 9 и 30) подают регулируемое напряжение, которое устанавливают таким образом, чтобы глубина потенциальной ямы под электродом антиблуминга была такой же или на доли вольта больше, чем под барьерным электродом (выводы 8 и 29). При этом между стоком антиблуминга и источником напряжения ставят регулируемый резистор. При работе в таком режиме только часть фотогенерированных зарядов поступает в секцию накопления, а остальная часть уходит

через этот резистор в сток антиблуминга. Изменяя величину сопротивления, можно соответственно изменять коэффициент ослабления фотоэлектрической чувствительности. Для присоединения к прибору регулируемого резистора используются выводы 9 и 30.

Прибор допускает работу в режиме вычитания равномерного фона, что требуется при наличии фоновой засветки или при малоконтрастном обьекте съемки. Вычитание равномерного фона осуществляют вьшодом дозируемых порций зарядов в сток антиблуминга одновременно из всех фоточувствительных элементов прибора.

Каждый фотоэлектрический преобразователь имеет два четырехфазных регистра, которые принимают заряды из секции накопления и переносят эти заряды к выходному устройству, общему для обоих регистров, через дополнительные сходящиеся участки. Общая протяженность левого и правого регистров разнятся на два электрода 9 тем, чтобы на общем выводе последовательность импульсов выходного сигнала соответствовала последовательности фотодиодов.

Считываемые заряды, передаваемые по регистрам, попадают в выходной диффузионный электрод и изменяют его потенциал соответственно величине этих зарядов. Напряжение с диффузионного электрода поступает на двухкаскадный истоковый повторитель, каскады которого соединены между собой транзистором выборки-хранения, управление которым позволяет преобразовывать импульсное напряжение в ступенчатое, более соответствующее распределению освещенности вдоль линейки. Затвор транзистора выборки-хранения отделен от стока и истока экранирующими электродами, чтобы устранить наводку от импульсов управляющего напряжения на самом затворе.

,.

7

Буферные регистры присоединены к тем же вьшодам, что и считывающие

регистры, и служат для ограждения считьюающих регистров от притока к ним паразитных зарядов.

Фоточувствительные линейки расположены параллельно с поворотной симметрией и имеют продольное смещение относительно друг друга на половину шага фотодиодов. Штриховое изображение, например, спектр можно проецировать на обе линейки. Благодаря такому смещению становится возможным формирование общего сигнала с обеих линеек.

Тем самым разрещающая способность прибора становится вдвое больше, чем с каждой отдельной линейки. Так как направление переноса зарядов в одной линейке противоположно направлению переноса зарядов в другой, то путем мультиплексирования их выходных сигналов достигается коррекщ1я искажений, вызываемых неэффективностью переноса зарядов в считьшающих регистрах.

При использовании в работе только одной линейки вторая остается резервной. Так как прибор имеет поворотную симметрию, то замена одной линейки на дрзпгую достигается его поворотом на 180° и включением прибора в те же самые гнезда.

По сравнению с прототипом уровень щумов и наводок уменьшен в 3 раза и следовательно повыщена точность фотоэлектрического преобразования, что привело к расширению динамического диапазона, т.е. отношения максимального сигнала к шуму наводок от 1000, как у прототипа, до 3000.

ЛИТЕРАТУРА

1.К.Секен, М.Томпсен. Приборы с переносом заряда. Изд. «Мир, 1978 г.

2.В.А.Арутюнов, О.В.Сорокин. Авторское свидетельство СССР №1805513, МКИН01Ь27/148, 1990.

3.В.А.Арутюнов, О.В.Сорокин. Авторское свщ етельство СССР №1336871, МКИН01Ь31/10,1983.

Claims (2)

1. Билинейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью, содержащий две линейки, каждая из которых имеет ряд фотодиодов, по обеим сторонам которого расположены секции накопления и переноса зарядов, а также выходные регистры, имеющие с этими секциями и с фотодиодами последовательную зарядовую связь, при этом сами линейки расположены с поворотной симметрией и имеют продольное смещение относительно друг друга на половину шага фотодиодов, отличающийся тем, что конечные участки регистров в каждой линейке сделаны сходящимися к общему для них истоковому повторителю, выполненному двухкаскадным с соединяющим эти каскады транзистором, затвор которого отделен от его стока и истока экранирующими электродами.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что с внешней стороны каждого выходного регистра расположен буферный регистр, электроды которого соединены с электродами выходного регистра.