Полупроводниковый преобразователь

 

ОП ИСАНИ Е

И306РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()744790

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03.08.76 (21) 2393767/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл.

Н 01 L 31/04

G 06 К 9/12

Государственный комнтет

СССР но делам наооретеннй н открытий

Опубликовано 30.06.80. Бюллетень № 24 (53) УДК 621.382 (088.8) Дата опубликования описания 10.07.80 (72) Авторы изобретения

К. Ф. Берковская, Б. Г. Подласкин, Н. В. Кириллова, В. Л. Суханов, В. В. Тучкевич и Б. С. Явич

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (71) Заявитель (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области безваку. умных фотоэлектрических сканируемых устройств.

Известно, что передача информации об изображении в форме значений составляющих пространственно-частотного спектра изображения, а не в форме видеосигнала, во многих отношениях оказывается предпочтительной.

Известны как оптические, так и оптоэлектронные методы разложения функций по полному ортогональному базису, напри- 1о мер, построенному на основе базиса УолшаАдамара (1).

Вместе с тем известны полупроводниковые преобразователи энергии светового излучения в электрический сигнал, содержащие по крайней мере одну линейку фотоприемных элементов с контактами и общей шиной линейки ключевых элементов, поэлементно подключенные к контактам фотоприемных элементов, генераторы селекторных и тактовых импульсов, источник питания и усилитель считывания (2).

Недостатком таких. устройств является ограниченная пороговая чувствительность.

При растровом, поэлементно-последовательном опросе, в том числе с использованием накопления энергии на емкости р-и перехода или индуцированного перехода (МОПконденсатора) не удается избежать потерь заряда за время накопления и эффективность накопления всегда существенно меньше 100%.

Другим недостатком является большое время, необходимое для опознания образа.

Формирование из видеосигнала пространства признаков, по которым в дальнейшем сможет быть произведена классификация изображений, требует большого времени и большого объема памяти.

Целью изобретения является повышение пороговой чувствительности при одновременном снижении времени опознавания образа.

Эта цель достигается тем, что усилитель считывания выполнен с неинвертирующим и инвертирующим входами и электрически связан с ключевыми элементами, соединенными с контактами фотоприемных элементов, и между генератором тактовых и генератором селекторных импульсов введен блок памяти.

744790

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 — графики, иллюстрирующие работу устройства в динамике; на фиг. 3 — один из вариантов выполнения устройства в виде одной фотоприемной линейки; на фиг. 4 — разрез фотоприемной линейки.

Предложенный полупроводниковый преобразователь выполнен в виде изолированных друг от друга линеек фотоприемных элементов. Каждый фотоприемный элемент может быть, например, выполнен в виде пары встречно включенных фотодиодов, фототиристоров, в виде фототранзистора, фотосопротивления, пары МОП-фотоконденсаторовит, п.

На фиг. 1 в качестве примера показан набор линеек из пар встречно включенных диодов, причем глубины залегания р-и переходов и длина волны регистрируемого света подобраны так, что разделение носителей, созданных светом, лицевым и тыльным р-ипереходами одинаково эффективно, Оба диода могут быть расположены и на лицевой грани монокристалла.

На фиг. 1 тыльный фотодиод образован базовой областью 1 и общей шиной 2. Общие шины снабжены контактами 3. Лицевые фотодиоды образованы базовой областью 1 и дискретными лицевыми областями 4. Контакты одноименных элементов всех линеек объединены электрическими шинам * 5. Контакты к общим шинам подключены к ключевым элементам 6, а койтакты одноименных элементов линеек — к ключевым элементам 7. Линейка ключевых элементов 6 поэлементно соединена с выходами генератора селекторных импульсов 8, а линейка ключевых элементов 7 — с генератором селекторных импульсов 9. Общие шины через ключевые элементы 6 связаны либо с положительным 10, либо с отрицательным 11 выходом двуполярного источника питания. Обе части генератора селекторных импульсов электрически связаны с блоком памяти программы работы ключевых элементов 12 и через него с генератором тактовых задающих импульсов 13. Контакты к одноименным элементам линеек 5 через ключевые элементы 7 связаны либо с не. инвертирующим,либо с инвертирующим входами усилителя считывания 14.

Такое устройство позволяет повысить пороговую чувствительность. Наличие усили теля считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, электрически связанного через ключевые элементы со всеми фотоприемными элементами матрицы одновременно, позволяет каждый такт работы снимать информацию об освещенности всех элементов, а не одного, как это имеет место при растровом поэлементно-последовательном опросе. Пространственное кодирование этой информации происходит за счет умножения сигнала с каждого элемента на весовой коэффициент «+1» или « — 1» в сооТветствии с программой работы ключей, управляемых блоком памяти через посредство генератора селекторных импульсов.

Работу устройства в целом синхронизует генератор тактовых импульсов. При этом весовой коэффициент «+ !» создается на элементах одним из двух способов: либо за счет подачи положительного напряжения питания и связи данного элемента с неин14 вертирующим входом усилителя, либо за счет подачи отрицательного напряжения питания и связи данного элемента с инвертирующим входом усилителя. Соответственно весовой коэффициент « — 1» создается на элементах одним из двух других способов: либо за счет подачи отрицательного напряжения питания и связи с неинвертирующим входом усилителя, либо за счет подачи положительного напряжения питания и связи с инвертирующим входом усилителя. Только

24 таким образом могут быть созданы двумерные маски весовых коэффициентов « — 1» и «+ 1» без использования весового коэффициента «О», т. е. без потери энергии све- . тового излучения. Таким образом, заложена

2» основа для 1000/о-ного использования светового потока, которое реализуется на приемном конце при декодировании пространственно-частотного спектра изображения.

Одновременно устройство позволяет ускорить процесс опознавания образа. ДейЗ4 ствительно конструкция преобразователя обеспечивает поступление информации о пространственном распределении освещенности в форме пространственно-частотного спектра изображения. Операции над спектром, в отличии от операций над видеосигналом, позволяют эффективно отфильтровывать неинформативные составляющие, исключать влияние параллельных переносов, изменения масштаба, яркости изображений, использовать непосредственно значения пространственно-частотных составляющих в качестве первичных признаков для проведения разделяющих поверхностей между классами изображений. Таким образом, число тактов работы устройства может быть существенно меньше числа тактов, обеспечивающих по44 элементно-последовательный опрос всей матрицы.

Устройство работает следующим образом.

В исходный момент времени на матрицу фотоприемных элементов спроецировано ре4 гистрируемое линейное распределение освещенности. В блоке памяти хранится программа смены базовых функций анализа, представляющих собой полную ортогональную систему функций.

На первом такте работы устройства и (см. фиг. 2) Тз = Т под воздействием импульса тактового генератора 13 первая одномерная базовая функция поступает одновременно в генераторы селекторных импульсов

8 и 9. Пусть матрица фотоприемных эле744790 ментов выбрана квадратной, т. е. число линеек выбрано равным числу элементов в линейке. При Т« = Т ключевые элементы соединяют элементы матрицы с положительным выходом источника питания и с неинвертирующими входами усилителя считывания.

При Тз = Ti синтезируется маска фоточувствительности S> <, которая приписывает всем элементам весовой коэффициент «+ 1».

В усилителе считывания 14 при этом формируется сигнал пропорциональный интегральной освещенности всей маски.

На втором такте работы устройства (Ts = Ta) на 1-ой и 4-ой линейке фотоприемных элементов — положительное смещение за счет соответствующего напряжения на выходах генератора селекторных импульсов. На 2 и и 3 и линейке — отрицательное. На ключевых элементах, связывающих элементы матрицы с усилителем считывания, сохраняется одномерная функция предыдущего такта. В результате синтезируется маска S>q.

Последующие такты работы устройства из блокд памяти поступают все возможные сочетания одномерных функций на ключевые элементы 6 и 7. Соответственно синтезируются все маски фоточувствительности Sq>. Число. масок соответствует числу элементов матрицы. В усилителе формируется полный набор сигналов — коэффициентов при членах разложения изображения в ряд Фурье-Уолша.

Следует отметить, что при реализации матрицы фотоприемных элементов в виде набора линеек полная электрическая изоляция элементов линейки не нужна, Коммутация по строкам не связана с подачей управляющих напряжений, а только с переключениями входов усилителя,- что не приводит к возникновению уравнивающих токов. Полная же электрическая изоляция линеек друг от друга необходима.

- . Кроме того, следует отметить, что устройство может быть выполнено и на несимметричных фотоприемных элементах: фотодиодах, фото-р-i-п-структурах, фото-МОПструктурах, фототранзисторах. В этом случае один выход источника питания заземляется и за один такт работы устройства синтезируется маска фоточувствительности, модулирующая лишь половину изображения.

Вторая половина изображения при этом не регистрируется. На втором такте работы устройства заземляется другой выход источника питания, и знак незаземленного выхода меняется на обратный. Новая группа очувствленных элементов с весами «+ 1» и « — 1» дополняет ранее полученную маску до полной.

Таким образом, при использовании несимметричных фотоприемных элементов в

2 раза удлиняется процесс формирования коэффициентов и теряется половина энергии светового излучения, но существенно

6 упрощается структура фотоприемной матрицы.

Устройство может быть выполнено и в виде одной фотоприемной линейки. В этом случае удобно выполнить линейки ключевых элементов, генераторы селекторных импульсов и собственно фотоприемники на единой полупроводниковой подложке 15 (фиг. 3) в виде единой большой интегральной схемы.

Линейка имеет общую шину 16, дискретные участки 17, контакт 18 к общей шине

io и контакты 19 к дискретным участкам. На той же общей подложке 15 размещена линейка ключевых элементов. Каждый ключ переключает фотоприемный элемент в два положения: либо на неинвертирующий, либо на инвертирующий вход усилителя считывания. Для упрощения топологии линейка ключевых элементов выполнена по обе стороны от линейки фотоприемных элементов, и соответственно имеет две общих шины 20 и 21, две группы дискретных участков 22 и 23, контакты 24 и 25 к общим шинам.

Аналогично генераторы селекторных импульсов имеют общие шины 26 и 27, дискретные участки 28 и 29, контакты 30 и 31 к общим шинам. К контактам 30 и 31 подсоединены выходы блока памяти 32, вклю ченного последовательно с генератором тактовых импульсов ЗЗ. Контакт 18 к общей шине линейки фотоприемных элементов заземлен, а контакты 24 и 25 соединены, соответственно, с неинвертирующим 34 и инз вертирующим 35 входами усилителя считывания 36. В случае использования р-L-e фотодиодов ь -область 37 (фиг. 4) может быть общей для всех элементов.

Уже реализована матрица фотоприемных элементов размерностью 32 X 32, размер элементарной ячейки 620 X 620 мкм .

На исходной пластине п- кремния марки КЭФ-20 изготавливалась диэлектрическая маска, служащая для формирования

V-образных канавок на поверхности пласюф тины. После окисления рельефной поверхности на нее осаждался слой поликристаллического кремния толщиной 250 мкм. 3атем слой монокристалла кремния сошлифовывался до вскрытия разделяющих канавок.

4»

Таким образом, обеспечивалась электрическая изоляция диэлектриком отдельных линеек фотоприемной матрицы. После этого на изолированных участках монокристаллического кремния создавались дискретные р участки р -кремния методом осаждения из газовой фазы в окна диэлектрической маски.

Полученные диоды имеют следующие параметры: интегральная чувствительпогть

7,2 мА/лм; плотность темнового тока

1 — 2.10 А/мм при и = 10 В; область спектральной чувствительности 0,5 — 1,0 мкм, удельная емкость 30 пФ/мм .

Качество диэлектрической изоляции было таково, что токи утечки между элемекМЖщ " !. .7 . тами (-10 "А) 4, - — ?44790

Войч в у ствительности п „али порого) не orpaíè÷èâ

Использов ти "Рибора."- — - Ры селекторных интегрального

Ование этОЙ M атрицы в ник питания и тактовых импульсов вать накопление го опроса п озволило еали у исализо- opo oBO еал

Овои чувств"тел ое ном

Р Одновремен"езвычаЙИО н емени опозна

ОВ КОТО Ы авани Обр ния выполне за, РУ

Р, соединенными с к

ыми элеменнтов

Форм ла е и ератором таке, и между гене б сов введен блок па генераторами се

Полупроводников лок памяти. эне ги днико р oápàço e дниковый п е

Источники ин излучения в эле ктричес во внимание п

" ИИФ Рмации ии по краЙней ме е при экспертизе р у 11 1 р ес сос11п » арр1 С pt, 1976, V. 15, 2. Pfleiderer H. элементно по к кон- 1.азег-?5 О р1о-Electro Co б 141 д 1976 — 87 (прототип).

5 5

744790

Составитель Г. Баланюк

Редактор Н. Коляда Техред К. Шуфрич Корректор В. Синицкая

Заказ 3673/8 Тира к,844 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4,