ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
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 |
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.
|
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 
|
Выборка Строки |
|
Плавающий узел |
|
VT4 |
|
□ |
І/Г5-----
Ф
|
■ ФД1 |
І 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
|
