2.4. Конфигурации матричных фпу

Твердотельные многоэлементные приемники излучения делятся на два класса: с координатной выборкой и с последовательным переносом заряда. Работа современных приемников первого класса основана на использовании приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ), второго – на использовании приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Приборы с зарядовой инжекцией – твердотельные приемники изображения с поверхностным каналом, в которых для считыва­ния, хранения и сканирования используются инжекция и перенос заряда внутри отдельных фоточувствительных ячеек. Простейшим прибором с инжекцией заряда является МОП-конденсатор. Когда под действием напряжения, приложенного к конденсатору, приповерхностная область подложки обедняется носителями, неосновные носители, генерированные светом, коллектируются и хранятся в поверхностной инверсионной области. Если затем снять напряжение, накопленный заряд инжектируется в подложку и рекомбинирует. Величину инжектированного заряда можно определить измерением тока во внешней цепи во время инжекции.

Для х-у–адресации в каждой фоточувствительной ячейке матрицы имеются два отдельных электрода (строчный и столбцовый). В состоянии хранения сигнальный заряд накапливается под обоими электродами ячейки. Для считывания сигнального заряда на выбранные столбцовую и строчную шины подается нулевой потенциал. При этом происходит инжекция заряда в подложку из фотоприемной ячейки, расположенной на пересечении данных столбца и строки. Во всех остальных ячейках столбца и строки с нулевым потенциалом сигнальный заряд перетекает под строчный или столбцовый электрод соответственно. Измеряя ток, протекающий во внешней цепи во время инжекции, можно определить величину сигнальных зарядовых пакетов, накопленных в ячейках матрицы ПЗИ. Такой способ считывания называется инжекционным. Инжекционное считывание представляет собой процесс с разрушением информации, поскольку при инжекции чувствительные ячейки матрицы освобожда­ются от накопленного заряда. Разновидностями инжекционного способа считывания являются методы последовательной и предварительной инжекции.

Другой метод определения величины накопленного заряда основан на измерении изменения потенциала одного из электродов ячейки при переносе сигнального заряда из-под электрода соседнего конденсатора. Перенос может быть осуществлен параллельно во всех чувствительных элементах какой-либо выбранной строки. Параллельно для всех элементов строки можно выполнить и операцию инжекции, удаляющую сигнальный заряд. Такой метод считывания можно назвать считыванием при переносе, он является неразрушающим, поскольку операции считывания и инжекции производятся раздельно. После опeрации считывания сигнальные зарядовые пакеты можно либо оставить в матрице, либо инжектировать в подложку. Разновидностями этого способа счи­тывания являются метод параллельной инжекции и метод считывания строк. Рассмотрим в качестве примера метод последовательной инжекции, схема которого показана на рис. 3.

Для определения величины сигнального заряда измеряется изменение в процессе инжекции потенциала "плавающей" сигнальной шины, соединенной регистром горизонтального сканирования с одним из столбцов матрицы. Когда с помощью регистра вертикального

сканирования устанавливается нулевой потенциал на выбранной строчной шине, заряды в ячейках данной строки перетекают под столбцовые электроды. После этого осуществляется установка опорного потенциала на сигнальной и соединенной с ней "выбранной" столбцовой шинах. Затем через разделительную емкость на сигнальную шину подается управляющий импульс и сигнальный заряд в выбранной ячейке инжектируется в подложку, в результате чего происходит изменение потенциала сигнальной шины, которое усиливается выходным предусилителем. Таким образом опрашиваются все ячейки данной строки при последовательном подключении к сигнальной шине остальных столбцо­вых шин матрицы. После этого нулевой потенциал устанавливается на следующей строчной шине и описанный выше процесс повторяется.

О

Рис.3. Схема метода последовательной инжекции

ролоролрол

сновной проблемой при создании двумерных ПЗИ-матриц является обеспечение 100%-го обмена накопленного заряда между двумя электродами фоточувствительной ячейки. Для улучшения обмена может быть использован метод, аналогичный методу "жирного нуля", используемому в ПЗС-сдвиговых регистрах. При этом поверхностные состояния всегда заполнены носителями заряда и не влияют на процесс переноса заряда из одной потенциальной ямы в другую.

Еще одна проблема, возникающая при использовании ПЗИ-матриц, связана с тем, что скорость считывания сигнала, накопленного в фотоприемных ячейках матрицы, должна быть относительно высокой. В большинстве случаев технологический процесс для данного узкозонного материала оказывается непригодным для обеспечения возможности изготовления требуемых регистров сканирования, ключей выборки и предусилителя на том же кристалле, что и фотоприемные ячейки. В таких условиях названные элементы обрамления, а также регистры ВЗН или иные устройства обработки сигнала изготавливаются на отдельных кремниевых кристаллах с использованием стандартной технологии. Поскольку операция ВЗН в таких системах осуществляется на отдельном кристалле, ПЗИ-матрица должна полностью опрашиваться за время сдвига изображения на одну строку. При этом необходимая скорость считывания данных может потребовать слишком широкой полосы предусилителя. В таких случаях может оказаться эффективным использование отдельного предусилителя на каждый столбец матрицы.

Другая возможная трудность, возникающая при использовании ПЗИ-приемников, связана с довольно большой выходной емкостью матрицы, складывающейся из собственной емкости сигнальной шины, полной емкости ячеек соединенного с ней столбца и паразитных емкостей. Большая величина выходной емкости обусловливает малую величину шумового напряжения на входе предусилителя, соответствующую данному шумовому заряду в ячейках ПЗИ-матрицы, так как . Следовательно, предусилитель должен обладать достаточно малым эквивалентным входным напряжением шумов, чтобы полная шумовая характеристика всей системы определялась флуктуациями фонового излучения. В сочетании с требованием достаточно широкой полосы это требование может ока­заться весьма жестким для предусилителя.

Приборы с зарядовой связью. Для создания матричных ИК-ФПУ используются приборы с зарядовой связью двух основных конфигураций (рис. 4а и 4б.

В первом случае (рис. 4а) МДП-ячейки сдвигающих регистров одновременно выполняют роль фоточувствительных элементов. Такая конфигурация обеспечивает высокую плотность заполнения фокальной плоскости приемника. В системах с механическим сканированием изображения вдоль матрицы ПЗС-регистры осуществляют ВЗН-режим обработки сигнала. В этом случае операция ВЗН и детектирование осуществляются на одном общем кристалле, поэтому в такой системе не происходит предварительного мультиплексирования сигнала. Как следствие, в ПЗС-приемниках рассматриваемой конфигурации требуется значительно меньшая скорость считывания, чем в ПЗИ-приемниках.

Быстродействие выходного регистра, на который подаются сигналы с выходов каждого ВЗН-регистра, должно в m раз (где m – число столбцов матрицы) превышать быстродействие ВЗН-регистров. Если технологические ограничения не позволяют создать такие быстродействую­щие регистры с высокой эффективностью переноса заряда в узкозонном материале, выходной регистр изготавливают на отдельном кремниевом кристалле, используя стандартную технологию.

Выходные сигналы ВЗН-регистров имеют достаточно большую амплитуду и характеризуются сравнительно высоким отношением сигнал-шум (как следствие ВЗН-обработки). Кроме того, выходные емкости ВЗН-регистров достаточно малы. Поэтому существенным недостатком такой конструкции ПЗС-приемника является только большое количество меж­соединений.

В ПЗС-приемниках обычно стремятся к возможно большей зарядо­вой емкости ячеек ПЗС-регистра, особенно в системах, предназначенных для работы при сильном фоновом излучении, в связи с тем, что фоновый сигнал добавляется на каждой стадии ВЗН-обработки. ПЗИ-приемники свободны от этого недостатка, поскольку в них можно выделить переменную составляющую сигнала перед ВЗИ-процессором.

Вторая конфигурация на основе приборов с зарядовой связью (рис. 4б) отличается тем, что детектирование излучения производится в отдельных фо­точувствительных ячейках (не обязательно МДП), соединенных с ПЗС-регистрами, осуществляющими ВЗН-обработку сигнала в системах с механическим сканированием изображения. Матрицы с такой конфигура­цией более сложны, так как содержат ряд дополнительных элементов, осуществляющих связь между детекторами и ПЗС, и обеспечивают меньшую плотность фоточувствительных элементов в фокальной плоскости. С другой стороны, они позволяют выделить переменную составляющую сигнала, подавить фон и выполнить некоторые другие операции обработки между детекторами и ВЗИ-регистрами. Динамический диапазон системы расширяется, поскольку в ячейках ПЗС-регистра уже не накапливается фоновый сигнал. В данном случае также может оказаться целесообразным использование выходного мультиплексора на отдельном кристалле.

а б

Рис. 4. Конфигурации матричных ПЗУ на основе приборов с зарядовой связью

Гибридные структуры. Рассмотренные выше ФПУ с последовательным переносом заряда яв­ляются аналогами кремниевых ФПУ видимого диапазона и в принципе могут быть изготовлены в виде монолитных конструкций на основе узкозонных полупроводников. Однако эффективность переноса заряда в ПЗС-регистрах из узкозонных полупроводников существенно ниже, чем в кремниевых, что приводит к снижению чувствительности ФПУ с увеличением числа элементов в матрице. Вследствие этого монолитные матрицы с последовательным переносом заряда для ИК-диапазона спектра имеют меньшее число элементов, чем кремниевые ПЗС-матрицы видимого диапазона спектра. Ограничений, связанных с низкой эффективностью переноса заряда в узкозонных полупроводниках, не имеют гибридные структуры с последовательным переносом заряда, а также матрицы с координатной выборкой. В гибридных структурах перенос пакетов зарядов происходит в кремниевых регистрах, имеющих высокую эффективность переноса, а детектирование излучения – в матрице приемников излучения на основе узкозонного полупроводника или примесного кремния.

В многоэлементных приемниках, собранных по гибридной схеме, преобразование оптического сигнала в электрический и последующая его обработка происходит раздельно в двух составных частях, изготовленных из различных материалов. Детектирование оптического излучения происходит в матрице фоточувствительных элементов, изготовленных из узкозонных полупроводников. Для первичной обработки сигнала, состоящей в поочередном опросе злементов фоточувствительной матрицы, мультиплексировании каналов и усилении сигнала, используется специальный процессор на основе кремния (ПЗС-структуры либо МОП-ключи, осуществляющие двух- или однокоординатную адресацию).

Преимуществом гибридной системы создания многоэлементной матрицы является возможность раздельной оптимизации детектирующих и считывающих структур. Для создания фоточувствительной структуры можно использовать материал, наиболее полно удовлетворяющий эксплуатационным требованиям по рабочей температуре, области спектральной чувствительности, геометрии чувствительных элементов, а для считывания сигналов – материал с наиболее отработанной технологией получения ПЗС-структур и МОП-ключей, с низким уровнем шумов, большим динамическим диапазоном и малой рассеиваемой мощностью. Рабочая температура гибридных структур может быть повышена по сравнению с монолитными структурами, так как в качестве фоточувствительных элементов в них могут использоваться фотодиоды, имеющие малые темновые токи.

Основные технологические трудности при создании многоэлементных приемников по гибридной схеме возникают на этапе соединения чувствительного элемента с соответствующим входом кремниевого процессора. Такое соединение должно осуществлять не только электрическую, но тепловую и механическую связь фоточувствительной матрицы и считывающей структуры. Именно этот этап является решающим в технологии создания гибридных структур и определяет максимальное число элементов в матрице.

Для объединения матрицы фоточувствительных элементов и считывающей кремниевой структуры применяются два основных способа:

– краевая металлизация при непосредственном нанесении фоточувствительного материала на кремниевый кристалл;

– «перевернутый» монтаж (flip-chip метод) с помощью контактных столбиков из мягкого металла, например, индия.

При краевой металлизации электрический контакт между выходом фоточувствительного элемента и входом кремниевой считывающей структуры осуществляется напыленными металлическими контактами. Такая структура обычно применяется для создания одномерных линеек с промежутками между элементами примерно 25 мкм. Для создания двумерных матриц чаще используется способ «перевернутого» монтажа. При этом матрица фоточувствительных элементов и кремниевая структура изготовляются и проверяются отдельно, после этого на них наносят индиевые столбики и затем с помощью термокомпрессии соединяют механически. Чем больше различаются коэффициенты теплового расширения фоточувствительного материала и кремния, тем меньше элементов может входить в матрицу. Например, фоточувствительные матрицы из халькогенидов свинца (РbS, РbSе, РbТе), имеющие коэффициент теплового расширения 2010^-6 K^-1 (для кремния КТР = 210^-6 K^-1), совместимы с кремниевой считывающей структурой при числе элементов не более 10².

В качестве прозрачной для ИК-излучения подложки, на которую эпитаксией из жидкой фазы или из молекулярных пучков наносят фоточувствительный материал, обычно используют BaF₂, InAs или CdTe. Может применяться и непрозрачная в ИК-области спектра подложка. В этом случае электрические контакты к фоточувствительным элементам формируют на той же стороне подложки, на которую падает излучение.