Устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двумерных приемников изображения

 

Использование: в интегральной микроэлектронике, в системах обработки информации. Сущность изобретения: устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения выполнено на полупроводниковой подложке и содержит матрицу ячеек входных устройств, причем каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенный на слое диэлектрика входной затвор, а каждый столбец содержит затвор переноса, выходную диффузионную область, два МДП-транзистора. Кроме того, устройство содержит многовыходной коммутатор, шину управления входными затворами, общую шину считывания, общую шину записи. Затворы МДП-транзисторов соединены с соответствующими выходами многовыходного коммутатора, исток первого МДП-транзистора - с общей шиной считывания, сток - с выходной диффузионной областью, исток второго МДП-транзистора - с общей шиной записи, сток - с затвором записи. Матрица входных устройств выполнена из фрагментов, состоящих из четырех ячеек входных устройств, дополнительно содержит вторую шину управления входными затворами, ячейку четырехфазного ПЗС-регистра. Входные затворы одного столбца фрагмента объединены первой общей шиной управления входными затворами и зарядно связаны с первым и третьим затворами переноса соответственно. Входные затворы другого столбца фрагмента объединены второй общей шиной управления входными затворами и зарядно связаны с вторым и четвертым затворами переноса первого ПЗС-регистра считывания. Первая ячейка второго ПЗС-регистра считывания зарядно связана с ПЗС-регистром последнего (крайнего) фрагмента, а последняя ячейка второго ПЗС-регистра образует цепочку зарядно связанных затворов с затвором записи, затвором переноса и выходной диффузионной областью. 2 ил.

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации.

Известно устройство считывания фотосигналов на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения на основе фотодиодов [1] Оно выполнено на полупроводниковой подложке, содержит матрицу входных устройств на приборах с зарядовой связью, столбцовый ПЗС-регистр считывания, а каждое входное устройство содержит входную диффузионную область, противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика зарядно связанные входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, причем входные затворы, затворы накопления соединены общими шинами считывания.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжений на входной затвор и затвор накопления на входной диффузионной области, соединенном с ней фотоприемнике устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором. Часть тока, текущего через фотоприемник, инжектируется в потенциальную яму под затвором накопления. При подаче открывающего импульса на затвор переноса информационные заряды одновременно передаются в столбцовые ПЗС-регистры. Далее информационные заряды соответствующего столбца передаются в горизонтальный ПЗС-регистр считывания и последовательно детектируются на общем выходном устройстве.

Недостаток такого устройства заключается в том, что размещение многоэлектродной структуры в каждой ячейке ограничивает площадь затвора накопления. Затвор накопления занимает не более 10% общей площади, для ячейки 50 х 50 мкм максимальная зарядовая емкость затвора накопления не превышает (1-4) х 10⁶ электронов. Это ограничивает возможность таких устройств считывания в системах с фоновым излучением, большим (1-5) х 10¹³ фотонов/см² ˙ с.

Известно также устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двумерных приемников изображения [2] Оно, выполненное на полупроводниковой подложке, содержит матрицу входных устройств на приборах с зарядовой связью, а каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика зарядно связанные входной затвор и столбцовый четырех фазных ПЗС-регистр, причем затворы переноса первой и третьей фаз столбцового ПЗС-регистра считывания зарядно связаны с входными затворами двух соседних столбцов. Данное устройство является ближайшим к предлагаемому техническому решению.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжений на входной затвор, первую и третью фазы столбцового ПЗС-регистра на входной диффузионной области, соединенном с ней фотоприемнике устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором. Часть тока, текущего через фотоприемник, инжектируется в потенциальные ямы под соответствующими затворами переноса столбцового ПЗС-регистра. Далее информационные заряды соответствующего столбца передаются в горизонтальный ПЗС-регистр считывания и последовательно детектируются на общем выходном устройстве. Уменьшение количества столбцовых ПЗС-регистров в два раза (один ПЗС-регистр на два столбца фотоприемников), совмещение функции затвора накопления с затвором переноса ПЗС-регистра позволяют более чем в три раза увеличить зарядовую емкость устройств считывания. Так, при размере фотоприемной ячейки 50 х 60 мкм зарядовая емкость устройства считывания 1,1 х 10⁷ электронов.

Недостаток такого устройства заключается в том, что режим считывания не может быть совмещен с режимом накопления фотосигналов. Кроме того, известно, что сигналы с многоэлементных фотоприемников в особенности в длинноволновой ИК-области спектра характеризуются низкой контрастностью изображения, высоким уровнем "геометрических" шумов, обусловленных неоднородностью фотоэлектрических характеристик фотоприемников, передаточных характеристик устройств считывания. Для восстановления изображения необходима дополнительная обработка сигналов. Разработка и изготовление систем обработки составляют значительную часть стоимости ФПУ, и тем не менее именно возможности систем обработки ограничивают функциональные возможности ФПУ.

Целью изобретения является повышение чувствительности путем увеличения зарядовой емкости устройств считывания и обеспечение первичной, предпроцессорной обработки сигналов.

Цель достигается тем, что в устройстве считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения, выполненном на полупроводниковой подложке и содержащем матрицу ячеек входных устройств, причем каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, ячейку четырехфазного ПЗС-регистра считывания, образующих цепочку зарядно связанных элементов, шину управления входным затвором, матрица входных устройств выполнена из фрагментов, состоящих из четырех ячеек входных устройств, причем каждый столбец фрагментов дополнительно содержит четырехфазный ПЗС-регистр, а также дополнительно содержит второй входной затвор и шину управления вторым входным затвором, многовыходной коммутатор, общую шину считывания, общую шину записи, два МДП-транзистора, затворы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора, при этом исток первого МДП-транзистора соединен с общей шиной считывания, сток с выходной диффузионной областью, исток второго МДП-транзистора с общей шиной записи, сотк с затвором записи, причем входные затворы одного столбца фрагмента объединены первой общей шиной управления входными затворами и зарядно связаны с первым и третьим затворами переноса соответственно, а входные затворы другого столбца фрагмента объединены второй общей шиной управления входными затворами и зарядно связаны с вторым и четвертым затворами переноса первого ПЗС-регистра считывания, первая ячейка второго ПЗС-регистра считывания зарядно связана с ПЗС-регистром последнего (крайнего) фрагмента, а последняя ячейка второго ПЗС-регистра образует цепочку зарядно связанных затворов с затвором записи, затвором переноса и выходной диффузионной областью.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства считывания на приборах с зарядовой связью; на фиг. 2 изображены временные диаграммы управляющих напряжений, где 1 контактная площадка к фотоприемнику, 2 входная диффузионная область, 3 первый входной затвор, 4 второй входной затвор, 5, 6, 7 и 8 первый, второй, третий и четвертый затворы переноса первого ПЗС-регистра считывания, 9, 10, 11 и 12 первый, второй, третий и четвертый затворы переноса второго ПЗС-регистра считывания, 13 затвор записи, 14 затвор переноса, 15 выходная диффузионная область, 16 общая шина считывания, 17 общая шина записи, 18 многовыходной коммутатор, 19 вход коммутатора, 20 блок предпроцессорной обработки сигналов, Т₁, Т₂ МДП-транзисторы, f₁, f₂, f₃, f₄ шины управления первым ПЗС-регистром считывания, Вх.зат. 1, Вх. зат. 2 шины управления входными затворами, F₁, F₂, F₃, F₄ шины управления вторым ПЗС-регистром, F_з.пер. шина управления затвором 14 переноса, 1F, 2F шины управления многовыходным коммутатором, 21 вход многовыходного коммутатора.

Для ячеек 22, 23 фрагмента устройства считывания входная диффузионная область 2, первый входной затвор 1, первый ПЗС-регистр считывания (затворы 5, 6, 7, 8 переноса), второй ПЗС-регистр считывания (затворы 9, 10, 11, 12 переноса), затвор 13 записи, затвор 14 переноса, выходная диффузионная область 15 образуют цепочку зарядно связанных элементов, причем входная диффузионная область 2 ячейки 22 зарядно связана с первым входным затвором 3 и первым затвором 5 переноса первого ПЗС-регистра считывания, а диффузионная область 2 ячейки 23 зарядно связана с первым входным затвором и третьим затвором 7 переноса первого ПЗС-регистра считывания.

Для ячеек 24, 25 фрагмента устройства считывания входная диффузионная область 2, второй входной затвор 4, первый ПЗС-регистр считывания (затворы 5, 6, 7, 8 переноса), второй ПЗС-регистр считывания (затворы 9, 10, 11, 12 переноса), затвор 13 записи, затвор 14 переноса, выходная диффузионная область 15 образуют цепочку зарядно связанных элементов, причем входная диффузионная область 2 ячейки 24 зарядно связана с вторым входным затвором 4 и вторым затвором 6 переноса первого ПЗС-регистра считывания, а диффузионная область 2 ячейки 25 зарядно связана с вторым входным затвором 4 и четвертым затвором 8 переноса первого ПЗС-pегистра считывания.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющих напряжений на шины Вх.зат. 1, f₁, причем Uf₁ > UВх. зат. 1 на входной диффузионной области 2 ячейки 22 и соответственно на фотоприемнике устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором 3. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под входным затвором 3 в потенциальную яму под первым затвором 5 переноса. Далее при подаче управляющих напряжений на затворы первого и второго ПЗС-регистров считывания (управляющие шины f₁ f₄, F₁ F₄) информационные заряды последовательно передаются по первому и второму ПЗС-регистрам считывания. При подаче на общие шину считывания и шину записи высокого напряжения U₁₁, U₁₂ заряд из под четвертого затвора второго ПЗС-регистра считывания передается в выходную диффузионную область 15. Подача на вход 21 и фазы 1F, 2F управляющих напряжений обеспечивает последовательное подключение выходных диффузионных областей к общей шине считывания. Для считывания сигналов с ячеек 24 подаются напряжения на шины Вх. зат. 2 и f₂, для считывания сигналов с ячеек 23 подаются напряжения на шины Вх. зат. 1 и f₃, а для считывания сигналов с ячеек 25 подаются напряжения на шины Вх. зат. 2 и f₄. Таким образом считываются сигналы со всех фотоприемных ячеек матрицы, после чего цикл считывания повторяется, снова производится считывание сигналов с ячеек 22 и т.д.

Устройство может также обеспечить первичную обработку фотосигналов, например подавление "геометрического" шума. Для этого с компенсирующего выхода блока предпроцессорной обработки по общей шине записи подается потенциал, обеспечивающий передачу только информационной части сигналов. Коррекция этого потенциала осуществляется в следующем цикле считывания из сравнения величин считываемого сигнала с опорным индивидуально для каждого канала. После считывания по общей шине записи подается высокий потенциал и заряд, оставшийся под четвертым затвором переноса второго ПЗС-регистра считывания, вытягивается в выходную диффузионную область и общую шину считывания, с окончанием которого начинается новый цикл накопления. Блок предпроцессорной обработки может быть аналогичен описанному в патенте США N 4133008, кл. Н 04 N 1/98, 9/19, 1979.

Сигналы с общей шины считывания многоканального устройства считывания последовательно поступают на вход устройства двойной коррелированной выборки и далее в преобразователь аналог код. Занесение в оперативное запоминающее устройство информации об уровнях неинформационных компонент сигналов осуществляется через арифметико-логическое устройство. Из арифметико-логического устройства информация передается в цифроаналоговый преобразователь и далее в аналоговом виде на шину коррекции. В качестве преобразователя аналог код могут быть использованы последовательно соединенные компаратор и аналого-цифровой преобразователь, при этом информация в оперативное запоминающее устройство записывается с выхода компаратора либо сигналы с устройства двойной коррелированной выборки непосредственно подаются на вход аналого-цифрового преобразователя.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает также возможность одновременно считать сигналы с любых двух фотоприемников одного фрагмента. Например, для одновременного считывания суммарного фотосигнала с ячеек 22 и 23 необходимо подать высокие напряжения на шины управления Вх. зат. 1 и f₁, f₂.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества.

Уменьшение количества электродов в ячейке устройства считывания, в частности совмещение функций затворов накопления двух ячеек затворами переноса первого ПЗС-регистра считывания, вынос из фрагмента устройства считывания затвора переноса, накопление сигнального заряда под двумя затворами переноса первого ПЗС-регистра считывания, суммарная площадь которых в 1,5 раза может превышать площадь элементарной ячейки устройства считывания, позволили увеличить зарядовую емкость (до 10⁸ электронов для ячейки с размерами 50 х 50 мкм) и, следовательно, обнаружительную способность ФПУ на их основе. Известно, что обнаружительная способность растет как корень квадратный из времени накопления. Время накопления пропорционально зарядовой емкости устройства считывания. Увеличение времени накопления также снижает требования к пропускной способности измерительного канала. Таким образом, увеличение зарядовой емкости устройства считывания позволяет реализовать двухмерные фотоприемные матрицы, предназначенные для работы при больших фотоновых нагрузках, больших 10¹⁵ фотонов/см², а также увеличить степень интеграции.

Предлагаемое устройство обеспечивает дополнительную возможность в одном цикле накопления считать (суммировать) фотосигналы с любых двух фотоприемников, считываемые одним фрагментом устройства считывания. Это дает дополнительные возможности в области обработки фотосигналов, в системах распознавания образов и т.д.

Обеспечивается первичная, предпроцессорная обработка, например подавление "геометрических" шумов. Первичная обработка фотосигналов позволяет снизить на 5-6 разрядов требования к измерительному каналу. Это имеет принципиальное значение, так как реализовать измерительный канал с динамическим диапазоном 12-16 разрядов при времени выборки, меньшем 0,1-1 мкс, особенно для бортовых систем, характеризующихся жесткими ограничениями на массогабаритные показатели, потребляемую мощность, практически невозможно. Снижение требований к динамическому диапазону на 5-6 порядков позволяет практически реализовать первичную, предпроцессорную обработку фотосигналов в режиме реального времени с меньшим энергопотреблением, лучшими массогабаритными показателями и с большими функциональными возможностями.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ ДЛЯ ДВУМЕРНЫХ ПРИЕМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ, выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее матрицу ячеек входных устройств, каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, ячейку четырехфазного ПЗС-регистра считывания, образующую цепочку зарядно связанных элементов, шину управления входным затвором, отличающееся тем, что матрица входных устройств выполнена из фрагментов, состоящих из четырех ячеек входных устройств, причем каждый столбец фрагментов дополнительно содержит четырехфазный ПЗС-регистр, а также дополнительно содержит второй входной затвор и шину управления вторым входным затвором, многовыходной коммутатор, общую шину считывания, общую шину записи, два МДП-транзистора, затворы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора, исток первого МДП-транзистора соединен с общей шиной считывания, сток - с выходной диффузионной областью, исток второго МДП-транзистора - с общей шиной записи, сток - с затвором записи, причем входные затворы одного столбца фрагмента объединены первой общей шиной управления входными затворами и зарядно связаны с первым и третьим затворами переноса соответственно, а входные затворы другого столбца фрагмента объединены второй общей шиной управления входными затворами и зарядно связаны с вторым и четвертым затворами переноса первого ПЗС-регистра считывания, первая ячейка второго ПЗС-регистра считывания зарядно связана с ПЗС-регистром последнего (крайнего) фрагмента, а последняя ячейка второго ПЗС-регистра образует цепочку зарядно связанных затворов с затвором записи, затвором переноса и выходной диффузионной областью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2