Фотодиодные СБИС на основе МОП-транзисторов

В настоящее время помимо соверщенствания ФПЗС проводятся интенсивные разработки комплементарных приборов со структурой «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) — фотодиодов (ФД) с внутрикристальными схемами управления и обработки изображения.

Рассмотрим принцип работы КМОП. Схема ФД сверхбольших интегральных схем (СБИС) содержит матрицу активных фоточувствительных элементов (активных пикселов), схемы управления, аналоговые усилители считывания на выходе каждого столбца, аналого - цифровые преобразователи (АЦП) и ряд других цифровых блоков (рис. 6.24).

В таких матрицах схемы управления могут реализовывать произвольную координатную выработку сигналов, что значительно расширяет возможности фильтрации и обработки
(в том числе параллельной) сигналов изображения. За­дачи выделения окна интерфейса (ОИ), в котором рас­положена цель, и слежения за ней решаются путем счи­тывания сигналов только требуемых элементов. А по­скольку ОИ занимает небольшую часть кадра, скорость считывания с ФПЗС, в которых необходимо считывать весь кадр, может быть значительно увеличена.

Рис. 6.24. Структурная схема КМОП - ФД СБИС

подпись: 
рис. 6.24. структурная схема кмоп - фд сбис
Активный элемент образован ФД и четырьмя тран­зисторами (рис. 6.25), которые выполняют функции считывания заряда, накопленного ФД.

На транзисторе VT3 выполнен истоковый повтори­тель, транзистор VT4 является элементом выборки строк. В режиме интегрирования сигналов изображения импульс R, подаваемый на транзистор VT2, равен нулю.

Фотодиод накапливает фотогенерируемые электроны.

По мере их накопления потенциал диода умень­шается. В результате потенциал общего узла — соеди­нения транзисторов VT1, VT2, V73 — оказывается пла­вающим. В режиме выборки на транзистор VT2 посту­пает импульс восстановления /?= 1, транзистор VT2 открывается, и потенциал плавающего узла восстанавливается до исходного уровня. Затем на все активные элементы выбранной строки подается импульс 5=1, который поступает на затвор транзистора VTI, открывая его. Накопленный ФД сигнальный заряд передается на плавающий узел. После прихода импуль­са выборки строки RS = 1 открывается транзистор VT4. Транзисторы V73, VT4 и общий на­грузочный транзистор столбца образуют истоковый накопитель, и на шину столбца посту­пает усиленный по мощности сигнал ФД. Коэффициент передачи по напряжению истоково - го повторителя близок к единице. На шины столбцов подаются считанные сигналы всех элементов выбранной строки. Дешифратор столбцов последовательно выбирает сигналы шин и передает их на схему аналоговой обработки сигналов отдельных активных элементов матрицы. После окончания режима считывания сигнал выборки строки RS = 0, и транзистор VT4 закрывается. Начинается накопление зарядов следующего кадра изображения.

Фотодиодные СБИС на основе МОП-транзисторов

Рис. 6.25. Схема активного пиксела

Основное достоинство приборов со структурой КМОП-ФД по сравнению со струк­турой ФПЗС — возможность интеграции на одном кристалле функций приема и обработки изображения (возможна реализация однокристальной камеры с цифровым выходом). Иными достоинствами КМОП-ФД являются низкая потребляемая мощность, возможность про­граммирования интересующих пользователя окон и высокая скорость считывания данных. Главные недостатки — высокий шум, обусловленный тем, что активный элемент содер­жит несколько МОП-транзисторов и несколько шин, низкая фоточувствительность, более высокий темновой ток, большие размеры активного элемента, меньшая чем у ФПЗС разре­шающая способность.

Для устранения шума процесса восстановления в КМОП-ФД было предложено заме­нить фотодиод фоточувствительным затвором, в потенциальной яме которого накапливают­ся фотогенерируемые сигнальные заряды (рис. 6.26).

-О О—|

Столбец

SHAPE \* MERGEFORMAT Фотодиодные СБИС на основе МОП-транзисторов

Выборка

Строки

подпись: выборка
строки

Плавающий узел

подпись: плавающий узелЯ ДХз

VT4

подпись: vt4

подпись: □ГЧ_

І/Г5-----

Ф

■ ФД1

подпись: ■ фд1І ФД2

Рис. 6.26. Электрическая схема малошумящего элемента с совмещенным элементом

В режиме считывания на затвор транзистора УТ1 подается отпирающий его импульс восстановления /?1. Потенциал плавающего затвора восстанавливается до исходного уровня.

Потенциальный импульс передачи открывает дополнительный затвор, накопленный сигнальный заряд перетекает в плавающий узел, и потенциальная яма фоточувствительного затвора освобождается. Потенциал узла понижается на величину заряда. Такая схема позво­ляет выполнить двойную корреляционную выборку (ДКВ), которая практически и устраня­ет шум процесса восстановления.

В этом случае после восстановления плавающего потенциального узла на затвор тран­зистора У'ГЗ передается открывающий его импульс выборки строки Начальное напря­жение на затворе транзистора УТ2 (в которое входит и шум восстановления) через истоко - вый повторитель передается на шину столбца и запоминается на ее выходе. При поступле­нии на плавающий затвор сигнального заряда напряжение на транзисторе УТ2 понижается на величину поступившего заряда, и это напряжение также передается на выход шины
столбца. В результате выходной сигнал представляет собой разности значений напряжения транзистора УТ2, что и позволяет устранить шум восстановления. Недостаток схемы с фоточувствительным затвором — снижение фоточувствительности из-за меньшей, в срав­нении с фотодиодом, прозрачности затвора.

Основные параметры ФПЗС и КМОП-ФД приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3. Основные параметры ФПЗС и КМОП-ФД

Параметр

ФПЗС

КМОП-ФД

Минимальный размер пиксела, мкм

3...5

6...8

Максимальный формат, пиксел

4080x4080

2000x2000

Минимальный шум считывания на частоте 10 МГц, число электронов

8-10 (устройство для асторо - номических наблюдений и специального назначения); 20-25 (устройства бытового и промышленного назначения)

20...40

Темновойток, нА/см2

0,01...1

2...5

Фактор заполнения РБ, %

70... 90

30... 50

Потребляемая мощность при час­тоте 30 кадров/с, мкВт/пиксел

0,03...0,1

0,6...0,9 (для однокристальной камеры)

Неоднородность чувствительности,%

2...3

3...5

Динамический диапазон, дБ

60...70

50...60 (90, при логарифмически выходе)

Произвольная выборка сигналов изображения в требуемых окнах

Отсутствует

Реализуется

Интеграция дополнительных функций на кристалле

Простые аналоговые функции обрабоки

Программируемые цифровые и аналоговые функции

Внешние управляющие сигналы

Источник питания 5... 12 В и 3...9 фазовых импульсов

Источник питания 2,5...5 В и одного синхроимпульса

Технология производства

Специальная

Отлаженная КМОГ [-технология

Реализация цифровой камеры

ФПЗС, СБИС, управление и АЦП

Однокристальные

Предпочтительные области применения

Научные, космические, медицинские системы

Однокристальные бытовые (фото - и видеокамеры), автомо­бильные охранные системы, видеотелефоны, СТЗ

Оставить комментарий