С точностью до десятых долей микрона

Одним из главных элементов в видеокамерах и цифровых фотоаппаратах являются устройства, отвечающие за преобразование света в электрический сигнал. В настоящее время для этого применяются КМОП-сенсоры и приборы с зарядовой связью — ПЗС. Последним и посвящается нынешняя статья.

Барьеры и ямы

Изучение нового всегда лучше начинать с азов, поэтому статью о ПЗС мы начнем с рассказа о том, что же такое зарядовая связь.

Говоря языком физики, можно констатировать, что зарядовая связь — это передача заряда от одного МОП-конденсатора другому, расположенных на одной подложке. Однако попробуем объяснить этот процесс, не углубляясь в дебри специальных разделов физики.

МОП-конденсатор образован структурой металл–окисел-полупроводник, откуда и его название. Предположим, у нас три таких конденсатора, обозначенных как С1, С2, С3 (рисунок 1). Все они имеют одну общую обкладку в виде пластины кремния, которая называется подложкой. Приложим к конденсатору С2 напряжение U. Возникшее здесь электрическое поле может удерживать некоторый заряд Q. Пока не будем разбирать, откуда этот заряд взялся.

На соседние конденсаторы С1 и С3 напряжение не подано, электрического поля у них нет, что создает потенциальные барьеры для электронов, и поэтому весь заряд Q находится под конденсатором С2. Потенциальный барьер — это как бы перегородка между конденсаторами, созданная разностью потенциалов (откуда и название барьера — потенциальный) этих конденсаторов.

А что будет, если мы уберем потенциальный барьер, например, между С2 и С3, подав напряжение и на С3? Здесь также возникнет потенциальная яма, теперь она будет под двумя конденсаторами, и электроны распределятся между ними. Если же снять напряжение с С2, то весь заряд перетечет под С3. Вот мы и осуществили зарядовую связь, передав зарядовый пакет от одного электрода (C2) другому (С3) при помощи коммутации внешних напряжений.

Очень удобно представить себе потенциальную яму в виде ведра, а вода в нем будет играть роль заряда. Ведро может быть и пустое, и с водой. Если у нас есть ряд стоящих рядом ведер, зарядовую связь можно сравнить с процессом переливания воды из одного ведра в другое — соседнее. А командуют этим процессом внешние импульсы управления. Эта аналогия во многом помогает понять некоторые проблемы, и к ней мы еще будем возвращаться.

Откуда же в полупроводнике берутся заряды? Прежде всего из-за термогенерации (т.н. темновой ток): под действием температуры в полупроводнике рождаются пары электрон—дырка. Но это паразитный процесс, с которым необходимо бороться. Породить электронно-дырочные пары может фотон света, попадающий в полупроводник. Такие порожденные заряды называются фотогенерированными. Они-то и представляют интерес для нас.

Перенос накопленного

Куда и зачем надо перемещать заряды в ПЗС? Дело в том, что падающий на полупроводник свет образует в нем свободные электроны. Ярче свет в данном месте — больше электронов появляется в потенциальной яме находящегося там конденсатора. И теперь эти зарядовые пакеты электронов надо считать, так как это и есть полезный сигнал, несущий информацию об изображении, которое мы снимаем. Поэтому заряды в ПЗС перемещаются к считывающему устройству, которое преобразует их в напряжение.

Представим длинную цепочку расположенных рядом конденсаторов (рисунок 2), причем конденсаторы через два соединены между собой. Почему так, вы скоро поймете. Вывод соединенных вместе конденсаторов будем называть фазой.

Пусть напряжение подано на фазу Ф1. При этом сигнальные зарядовые пакеты (разные по количеству электронов) могут находиться под конденсаторами С1, С4 и С7. Далее подаем напряжение еще и на Ф2, а с Ф1, наоборот, снимаем. В результате заряды плавно перетекают под фазу Ф2 (под конденсаторы С2, С5). Затем напряжение подается на Ф3, с Ф2 снимается — заряд переходит под С3 и С6, и так далее.

Вот мы и получили сдвиговый ПЗС-регистр, который для работы требует три управляющие импульсные последовательности, потому и называется трехфазным. Отсутствие напряжения хранения (точнее, нулевое напряжение или небольшое напряжение обратной полярности) под одной из фаз при переносе заряда создает потенциальный барьер и является гарантией того, что зарядовые пакеты не будут растекаться. В конце регистра заряды попадают в считывающее устройство, преобразующее их в напряжение.

В принципе можно обойтись и двумя фазами переноса. И такие двухфазные системы существуют и используются достаточно широко. Они более сложны в изготовлении, там применяются так называемые встроенные барьеры, что требует дополнительных технологических операций. Попутно заметим, что есть и другие системы. Например, компания Thomson применяет четырехфазную систему переноса. Ее преимущество — в более простой технологии изготовления.

Увидеть свет

Не будем забывать, что нам нужно устройство, которое видит. Однако вот беда: как же свету попасть в полупроводник (чтобы там получился заряд электронов), ведь металлические электроды ПЗС не пропускают падающий на них свет?

Между электродами даже нет щелей (на рисунке они показаны условно). Электроды делаются так, что немного перекрывают друг друга (рисунок 3), иначе потенциальный барьер между конденсаторами полностью не исчезнет и будет препятствовать перетеканию заряда. Как же быть? Выходов несколько.

Можно осветить ПЗС с обратной стороны, где нет металлических электродов. Для этого подложку прибора надо сделать очень тонкой. Однако даже сейчас в технологическом плане это наталкивается на определенные трудности, хотя такие приборы выпускаются.

Другой способ — сделать электроды из такого материала, который бы и свет пропускал, и ток проводил. Таких материалов немного. Более того, нельзя сказать, что хоть один из них идеально подходит для поставленных целей.

Наиболее широко используется т.н. поликремний. Он имеет несколько иную структуру, чем обычный кремний, и соответственно несколько иные свойства. Ток поликремний проводит, но его электрическое сопротивление заметно больше, чем у металлов, и это создает определенные трудности при изготовлении больших ПЗС. Да и свет он пропускает не очень хорошо, особенно в синей области спектра. Однако поликремний лучше других материалов вписывается в существующую технологию, поэтому серьезных конкурентов не имеет. В то же время компания Kodak успешно экспериментирует с материалами на основе индия, например, ITO — Indium Tin Oxide (сплав индия и оксида олова).

Еще один вариант — рядом с МОП-конденсатором сделать специальные фоточувствительные ячейки (рисунок 4). Падающий на них свет превращается в электроны, которые затем переходят под одну из фаз регистра переноса и в конце концов считываются выходным устройством.

Пока идет считывание, надо изолировать фоточувствительные ячейки от регистра переноса, чтобы обеспечить возможность накопления новой информации. Для этого служит затвор переноса, работающий как шлагбаум: затвор открыт — заряды перетекают в регистр, закрыт — накапливаются в фотоячейках.

Вот и получился простейший фоточувствительный линейный прибор с зарядовой связью (ПЗС), где регистр переноса закрыт от света (его электроды делаются из металла), а примыкающие к нему фоточувствительные ячейки для света открыты.

Линейки ПЗС используются, например, в сканерах и копировальных аппаратах. Также они применялись в первых сканирующих цифровых приставках к фотокамерам.

Для считывания всего изображения линейка механически перемещается вдоль кадра, что занимает время. Для сканеров это не так чувствительно, но в цифровом фотоаппарате позволяет снимать только статичные объекты.

Наша задача сделать прибор, способный получать картинку сразу и целиком. Для этого у него должна быть не одна линия фоточувствительных элементов, а много.

От линии к матрице

К рассмотренному линейному ПЗС вместо отдельных фоточувствительных ячеек пристроим такие же сдвиговые регистры с поликремниевыми электродами, но расположенные вертикально (рисунок 5).

При этом одноименные фазы регистров объединены: вертикальные будем называть фазами секции (ФС), а горизонтальные — фазами регистра (ФР). Каждая фаза секции проходит через все столбцы вертикальных регистров, и это обеспечивает одновременный синхронный сдвиг зарядов всей строки информации вниз. Такие приборы называют матрицами ПЗС или, что более привычно, ПЗС-матрицами.

Массив вертикальных регистров называют фоточувствительной секцией (или областью). На одну (или две) фазы подается напряжение, и под ней происходит накопление заряда, образуемого прошедшим через поликремниевые электроды светом. Чем больше света попало в фоточувствительную область, тем больший заряд там накопится. Чтобы электроны не перетекали из одного столбца в другой, вертикальные регистры отделяются друг от друга специальными барьерами, называемыми стоп-каналами.

Последовательно подавая импульсы на фазы секции, можно сдвигать строки вниз, где они попадают в горизонтальный регистр. Сбросив одну строку в горизонтальный регистр, считываем ее. Затем сбрасываем другую и т.д., пока не считаем всю матрицу. Элементом разрешения (пикселем) в такой структуре будет набор конденсаторов всех трех фаз одного столбца. Таким образом, предложенная ПЗС представляет собой набор конденсаторов по три на один пиксель (обратите внимание: о цвете пока разговор даже не ведется), т.е. в такой структуре мегапиксельная камера будет содержать более 3 млн. конденсаторов.

Несмотря на это, рассмотренная структура — наиболее простая, и такая матрица ПЗС называется полнокадровой (Full Frame). Самым существенным ее недостатком является то, что при считывании свет продолжает падать на фоточувствительную секцию, вызывая смаз изображения. Поэтому в фотоаппаратах такие матрицы можно использовать только с механическим затвором. К примеру, компания Olympus в спецификациях на камеры E-1 и E-300 явно указывает этот тип ПЗС.

Ну, а как же обойтись без механического затвора? Для этого накопленную в фоточувствительной секции информацию надо «спрятать» от света, поместив в специальную секцию памяти. Тогда берем вышеописанную матрицу, но с вдвое большим количеством строк, и половину закрываем не проницаемым для света экраном (рисунок 6).

Теперь, после накопления информации в фоточувствительных ячейках, быстро переносим все заряды в эту новую секцию памяти (при этом управляющие импульсы переноса подаются синхронно на фазы секции накопления и секции памяти) и уже оттуда спокойно их считываем (импульсы управления подаются только на фазы секции памяти). А в секции накопления в это время можно собирать новую порцию информации. Такая матрица называется ПЗС с кадровым переносом (ПЗС КП).

Смаз в ней заметно меньше, чем в полнокадровых ПЗС, но полностью избавиться от него все равно не удается. Также немалые трудности возникают при желании получить время накопления меньше, чем время считывания. Ведь пока информация из секции памяти не считалась, новую туда переносить нельзя. Поэтому в большинстве ПЗС с кадровым переносом минимальное время накопления ограничено. Подобные матрицы хоть еще и выпускаются, но также находят ограниченное применение. А лидирующее положение сейчас занимают ПЗС со строчно-кадровым переносом (ПЗС СКП).

Из строчек в кадры, или Cтрочно-кадровый перенос

Признаться, ничего нового здесь нет: столбцы, аналогичные рассмотренной выше линейной ПЗС-структуре, и обычный горизонтальный регистр (рисунок 7).

Вертикальные регистры используются только для переноса заряда (в отличие от вышеописанных, где и накопление происходит в тех же регистрах), поэтому они закрыты от света, их электроды выполнены из металла. А фоточувствительные ячейки полностью открыты, и над ними нет поликремния. Поэтому ПЗС СКП лучше видят в синей области спектра.

Как и в рассмотренных выше матрицах, одноименные фазы переноса всех вертикальных регистров соединены между собой. Наличие защищенных от света вертикальных регистров переноса является главным достоинством, но одновременно и недостатком ПЗС СКП.

Достоинство заключается в том, что для переноса изображения в секцию памяти требуется минимальное время — всего один перенос из фоточувствительной ячейки под расположенную рядом же фазу вертикального регистра. А недостатком является уменьшение полезной фоточувствительной площади пикселя, т.к. некоторая часть его используется для регистра переноса. И эта часть света, которая попадает на регистр, не участвует в образовании полезной информации.

Это обстоятельство, в дополнение к более сложной структуре СКП, какое-то время сдерживало их широкое применение, но одна идея круто изменила положение, позволив устранить указанные недостатки. Как полностью использовать падающий на ПЗС свет?

Идея была простой. Перед каждым пикселем помещается специальная линза, которая собирает падающий на пиксель свет в фоточувствительную область (рисунок 8). Понятно, что технология изготовления от этого явно не упростилась, но подавляющее большинство ПЗС, применяемых в видеокамерах и цифровых фотокамерах, — это именно ПЗС СКП с микролинзами (микрорастром).

Выше мы упомянули, что поликремний ограничивает размеры ПЗС. В больших матрицах с малым элементом фазные проводники получаются очень тонкими, и если они из поликремния, то сопротивление на единицу длины возрастает, и при большой длине проводника (например, в середине матрицы) управляющий импульс имеет искаженную форму. Да и амплитуда его уменьшается.

Больше или меньше?

Указываемый в технических данных размер ПЗС может ввести в заблуждение. Например, 1/1,8 дюйма — это не диагональ матричного сенсора, а его типоразмер. К примеру, реальный размер сенсора, обозначаемого 1/1,8 дюйма (14 мм), составляет 8,93 мм по диагонали. Такая практика маркировки пришла из 50-х годов прошлого столетия, когда появились первые светоприемники для телевизионных камер.

Компании-производители ПЗС обычно всегда указывают общее количество пикселей и число эффективных, т.е. фоточувствительных. Как мы уже писали в предыдущей статье («Взгляд изнутри», F&V №10, 2004), часть пикселей специально закрывается от света, чтобы иметь информацию о темновом сигнале. Для этого используются «пустые» пиксели, расположенные по краям секции накопления. Формированию видеосигнала они никак не мешают, количество их относительно мало, поэтому существенного влияния на ограничение размера они не оказывают.

Есть «пустые» элементы и в выходном (горизонтальном) регистре. Например, при полном размере матрицы ПЗС Sony ICX205AK 1434x1050 элементов фоточувствительных у нее содержится 1360x1024. У двухмегапиксельного KAI2020 от компании Kodak фоточувствительных пикселей 1600x1200 при общем их количестве 1634x1214.

Для улучшения разрешения размер самого пикселя лучше сделать как можно меньше, но, с другой стороны, это понижает чувствительность прибора. В большинстве современных матриц размер пикселя составляет единицы микрон — в среднем около 3–5.

Кстати, напомним, что размер кристаллов галоидного серебра в светочувствительном слое фотопленки колеблется от 0,1 (позитивные эмульсии) до 1 микрона (высокочувствительные негативные).

Сравните с диаметром человеческого волоса, для которого приводятся значения от 70 до 200 микрон. Если при этом добавить, что точность технологии изготовления ПЗС находится на уровне десятых долей микрона (от 0,13 и выше), то вы поймете, какое все же чудо техники — обычный прибор с зарядовой связью.

Виктор Белов

Материал опубликован в 11 номере журнала Foto&Video за 2004 год.
Купите электронный номер и/или оформите онлайн-подписку.