Первые коммерчески доступные ПЗС-сенсоры появились в 1973 г. Впечатляющие возможности по переносу заряда сделали их идеальным выбором для изготовления сенсорных матриц. Сегодня ПЗС являются специализированными чипами, применяемыми, как правило, только для захвата изображения. Они производятся небольшим числом компаний, в частности Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp. КМОП также продолжают использоваться в фотокамерах, однако более прочно утвердились для изготовления памяти, обработки данных и других цифровых функций ввиду их низкого энергопотребления и гибкой полупроводниковой технологии. Тем не менее ряд характеристик этих устройств продолжает привлекать к себе внимание производителей цифровой фототехники. Поскольку особенности архитектуры КМОП позволяют осуществлять обработку изображений и преобразование аналог-код прямо в чипе, цифровые камеры и другие устройства на базе КМОП получаются значительно дешевле. Вдобавок КМОП-камеры требуют меньше сопутствующей электроники и печатных плат и могут быть размером с ноготь или еще меньше. В начале 90-х характеристики КМОП-сенсоров, а также технология производства были значительно улучшены. Например, прогресс в субмикронной литографии и дальнейшая миниатюризация транзисторов в интегральных схемах позволили применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это, в свою очередь, привело к увеличению фоточувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы. Таким образом, в последние годы КМОП стали практической альтернативой ПЗС. Однако в сегменте высокоуровневых решений ПЗС в ближайшее время будут удерживать первенство.

Что происходит в кремнии

Большинство сенсоров изображений строится на базе кремния. Напомним вкратце основные принципы взаимодействия света и электронов в полупроводниках.

Как известно, энергия фотона связана с частотой (длиной волны) соотношением

Е = hv = hс/λ

где — h постоянная Планка, с — скорость света, v — частота, λ — длина волны падающего света. Если энергия фотона больше, чем ширина энергетической щели, разделяющей валентную зону и зону проводимости полупроводника, то электрон при взаимодействии с таким фотоном может перейти из валентной зоны в зону проводимости и стать подвижным. Важным следствием данного соотношения является существование минимальной длины волны света, при которой возможно появление подвижного электрона. Обычно полупроводник легируют соответствующим материалом, что приводит к образованию промежуточных энергетических уровней в запрещенной зоне. Это позволяет свету с длиной волны большей, чем минимальная, генерировать электроны проводимости. Легирование бором создает полупроводник р-типа, а фосфором — n-типа.

Вообще говоря, электроны проводимости способен генерировать свет в видимом диапазоне длин волн (400–750 нм) и в ближней инфракрасной области спектра (1100 нм). Количество электронов, так называемый квантовый выход, является линейной функцией от числа фотонов, падающих на единицу площади за единицу времени (интенсивности света). Оно может быть меньше (рис. 1) за счет отраженных и поглощенных фотонов и рекомбинации возбужденных электронов или больше — при взаимодействии с высокоэнергетическими фотонами. Квантовый выход является одним из важнейших параметров, используемых при оценке качества фотодетектора.

Пиксели

Сенсор изображений состоит из набора фотоприемников — пикселов, которые образуют прямоугольную матрицу. Хотя структура пикселов зависит от типа сенсора, принципы их работы одинаковы.

Падающий свет попадает на фоточувствительную зону пикселов, где генерирует электроны, которые собираются в потенциальных ямах. Величина аккумулируемого заряда определяется интенсивностью падающего света. Время, за которое собирается заряд, называется временем интеграции (integration time). Таким образом, потенциальная яма содержит информацию о части изображения в форме электрического заряда, порожденного падающим светом.

В своей основе сенсор изображений должен выполнять четыре основные задачи: сгенерировать заряд от падающего фотона, собрать полученные заряды, перенести суммарный заряд и преобразовать его в напряжение. И ПЗС-, и КМОП-сенсоры решают все четыре задачи. Первые две они выполняют одинаково, но расходятся в методах переноса заряда и преобразования его в напряжение. В дальнейшем мы уделим большее внимание сенсорам на базе ПЗС.

Как работает ПЗС-сенсор

Он выполняет меньше функций на чипе, чем КМОП-сенсоры, но изящная простота ПЗС позволяет обеспечить превосходное качество изображения. Конечно, только наличие матрицы ПЗС в фотокамере не означает, что она будет делать хорошие снимки. Их качество определяется всей системой, включающей оптику, АЦП, схемы обработки изображений и другие компоненты. Более того, важным фактором является и способ взаимодействия всех составляющих.

На рис. 2 представлена схема формирования потенциальной ямы.

ПЗС-структура состоит из легированного поликремния, отделенного от подложки изолирующим слоем двуокиси кремния. Прикладывая напряжение к поликремниевым электродам, которые служат своеобразными вентилями (затворами), можно менять электрические потенциалы в прилегающих зонах внутри кремния. Так, положительное напряжение создает потенциальную яму, куда устремляются электроны, выбитые фотонами из валентной зоны. Электроны удерживаются в зоне под затвором за счет создания вокруг нее потенциального барьера — посредством приложения отрицательного потенциала к соседним электродам. Потенциальную яму или барьер можно сформировать под любым затвором.

Собранный заряд, соответствующий некоторому элементу изображения и удерживаемый в потенциальной яме, необходимо теперь каким-то образом доставить к преобразователям и усилителям, которые физически отделены от пиксела. Применяемые сегодня методы включают четыре различных способа переноса заряда: четырехфазный, трехфазный, псевдодвухфазный и истинный двухфазный. Остановимся подробнее на первом, поскольку остальные являются его вариациями.

Для переноса заряда в ПЗС-матрице с помощью поликремниевых электродов создаются сдвиговые регистры — так, что они образуют цепочку вдоль одной оси (строку или колонку). В названии метода отражено то, что пиксел формируется четырьмя электродами (Ф1, Ф2, ФЗ и Ф4 на рис. 3).

Если приложить к Ф1 и Ф2 высокое напряжение, удерживая низкое на ФЗ и Ф4, можно создать потенциальную яму под пикселом Рп, в которую будут стекаться электроны проводимости (фаза t1). Если затем изменить полярность на электродах Ф1 и ФЗ (фаза t2), то "зарядовый пакет" под действием электростатических сил будет перемещаться от Ф1 к ФЗ. В следующей фазе (t3) меняется полярность электродов Ф2 и Ф4, и заряд перетекает в потенциальную яму, образованную под электродами ФЗ и Ф4. Этот процесс применяется синхронно для всех сдвиговых регистров. Таким образом, заряды смещаются строка за строкой, как бы связанные друг с другом. Собственно говоря, данному процессу такие устройства и обязаны своим названием — приборы с зарядовой связью. Цикл повторяется до тех пор, пока все зарядовые пакеты достигнут выходных цепей, которые преобразуют величину заряда, накопленного каждым пикселом, в соответствующее напряжение и усилят его.