Фотоприёмные устройства Фотоприёмные устройства на основе ФПЗСна основе ФПЗС

ОпределениеОпределение

ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. CCD — Charge-Coupled Device). Общее CCD — Charge-Coupled Device). Общее обозначение класса полупроводниковых обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме управляемого переноса заряда в объеме полупроводника.полупроводника.

Наиболее ярким представителем приборов Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.данного класса является ПЗС-матрица.

ПредпосылкиПредпосылкиПервыми приемниками такого типа были фотодиоды и уже на заре своего Первыми приемниками такого типа были фотодиоды и уже на заре своего появления они позволили сделать гигантский скачок в области регистрации появления они позволили сделать гигантский скачок в области регистрации световых потоков и изображений. Достаточно упомянуть в качестве примера световых потоков и изображений. Достаточно упомянуть в качестве примера удачную регистрацию с помощью фотодиода явления солнечного затмения, удачную регистрацию с помощью фотодиода явления солнечного затмения, наблюдавшегося берлинскими учеными в Египте в 1911 году.наблюдавшегося берлинскими учеными в Египте в 1911 году.

С тех пор прошло много времени, фотодиоды совершенствовались, но их С тех пор прошло много времени, фотодиоды совершенствовались, но их основной недостаток — одноканальность, все же не позволил им найти широкого основной недостаток — одноканальность, все же не позволил им найти широкого применения. С конца 30-х годов среди светоприемников начали появляться применения. С конца 30-х годов среди светоприемников начали появляться телевизионные трубки, завоевавшие к концу 70-х лидирующее положение в этой телевизионные трубки, завоевавшие к концу 70-х лидирующее положение в этой области.области.

Было разработано сравнительно много приборов различных типов: ортиконы, Было разработано сравнительно много приборов различных типов: ортиконы, изоконы, секоны, видиконы, плюмбиконы (в телевизионном вещании трубки с изоконы, секоны, видиконы, плюмбиконы (в телевизионном вещании трубки с обратным пучком), кремниконы и суперкремниконы, диссекторы обратным пучком), кремниконы и суперкремниконы, диссекторы (специализированные трубки с повышенной квантовой эффективностью) и т.д.(специализированные трубки с повышенной квантовой эффективностью) и т.д.

Все они имели ряд серьезных недостатков: большие размеры, низкую квантовую Все они имели ряд серьезных недостатков: большие размеры, низкую квантовую эффективность (на уровне 5-10%), малый динамический диапазон и т.д.эффективность (на уровне 5-10%), малый динамический диапазон и т.д.

ИсторияИсторияПрибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой видеотелефонией (англ. picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory). Приборы с зарядовой связью начали свою памяти» (англ. semiconductor bubble memory). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.основным.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.простых линейных устройств.

Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители фотодиодов, матриц фотодиодов. С наибольшим успехом ПЗС-матрицы регистрировали фотодиодов, матриц фотодиодов. С наибольшим успехом ПЗС-матрицы регистрировали слабые световые потоки в таких отраслях, как микробиофизика, химическая физика, ядерная слабые световые потоки в таких отраслях, как микробиофизика, химическая физика, ядерная физика, астрофизика.физика, астрофизика.

Впоследствии под руководством Кацуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно Впоследствии под руководством Кацуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.ПЗС для своих видеокамер.

С 1975 года ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприёмников. А в С 1975 года ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприёмников. А в 1989 году ПЗС-детекторы применялись уже почти в 97% всех телевизионных приемников. 1989 году ПЗС-детекторы применялись уже почти в 97% всех телевизионных приемников. Для сравнения, 10 годами ранее ПЗС были представлены всего двумя процентами.Для сравнения, 10 годами ранее ПЗС были представлены всего двумя процентами.

ИсторияИсторияИвама умер в августе 1982 года. Микросхема Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.плите для увековечения его вклада.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У. В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering).(англ. National Academy of Engineering).

В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.награждены Нобелевской премией по физике.

Принципы работыПринципы работыПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.электродов изготавливается прозрачной.

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа)карманом n-типа)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС:Обозначения на схеме субпикселя ПЗС:1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;2 — Микролинза субпикселя;2 — Микролинза субпикселя;3 — R — красный светофильтр субпикселя3 — R — красный светофильтр субпикселя4 — Прозрачный электрод из поликристаллического4 — Прозрачный электрод из поликристаллического кремния или оксида олова;кремния или оксида олова;5 — Изолятор (оксид кремния);5 — Изолятор (оксид кремния);6 — Кремниевый канал n-типа. 6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта);Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта);7 — Зона потенциальной ямы 7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей;из зоны генерации носителей;8 — Кремниевая подложка p-типа;8 — Кремниевая подложка p-типа;

Принцип работыПринцип работы

Принцип работыПринцип работы

Принцип работыПринцип работы Генерирование зарядов в фотоприёмнике происходит не только Генерирование зарядов в фотоприёмнике происходит не только

под воздействием света, но и вследствие воздействия под воздействием света, но и вследствие воздействия температуры. Ток в полупроводниковых фотоприёмниках температуры. Ток в полупроводниковых фотоприёмниках экспоненциально зависит от температуры и при большом экспоненциально зависит от температуры и при большом времени накопления для его подавления требуется понижение времени накопления для его подавления требуется понижение температуры кристалла.температуры кристалла.

Если при производстве цифровых приборов разброс Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и то что дефектные участки добавляет и размер кристалла, и то что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.приводят к негодности всего кристалла.

ПрименениеПрименение Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение их габаритов и Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение их габаритов и

веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в эксплуатации веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в эксплуатации позволили применять их не только в профессиональных студиях, в научных позволили применять их не только в профессиональных студиях, в научных исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. Сегодня исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. Сегодня телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту. производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами пиксела в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии, пиксела в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной микровидеотехники.микровидеотехники.

Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется несколькими Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется несколькими фирмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, фирмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. Хотелось бы поставить в один ряд с Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. Хотелось бы поставить в один ряд с этими мастодонтами и российскую фирму — Научно-производственное этими мастодонтами и российскую фирму — Научно-производственное предприятие “Силар” (бывший отдел по разработке твердотельных приемников предприятие “Силар” (бывший отдел по разработке твердотельных приемников изображения ЦНИИ “Электрон”) из Санкт-Петербурга, которая является изображения ЦНИИ “Электрон”) из Санкт-Петербурга, которая является единственным в России производителем ПЗС-матриц, применяемых в научных, единственным в России производителем ПЗС-матриц, применяемых в научных, охранных и других целях.охранных и других целях.