Устройство для переноса электрического заряда (Ustroystvo dlya perenosa elektricheskogo zaryada)

Введение

Устройство для перемещения электрического заряда

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) – это интегральная схема, содержащая массив связанных конденсаторов. Под управлением внешней схемы каждый конденсатор может передавать свой электрический заряд соседнему конденсатору. ПЗС-сенсоры являются ключевой технологией, используемой в цифровой обработке изображений.

Обзор

В датчике изображения CCD пиксели представлены p-легированными металл-оксид-полупроводниковыми (MOS) конденсаторами. Эти MOS-конденсаторы, являющиеся основными строительными блоками CCD, и обедненная MOS-структура, использовавшаяся в качестве фотодетектора в ранних устройствах CCD. В конце 1960-х годов Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит в Bell Labs проводили исследования технологии MOS, работая над полупроводниковой памятью на магнитных пузырьках. Они поняли, что электрический заряд является аналогией магнитного пузырька и может быть сохранен на крошечном MOS-конденсаторе. Поскольку изготовление ряда MOS-конденсаторов было относительно простым, они подключили к ним соответствующее напряжение, чтобы заряд мог последовательно перемещаться от одного к другому. В первоначальной статье, описывающей концепцию в апреле 1970 года, были указаны возможные области применения: память, линия задержки и устройство формирования изображения. Устройство также могло использоваться в качестве сдвигового регистра. Суть конструкции заключалась в возможности переноса заряда по поверхности полупроводника от одного конденсатора хранения к другому. Концепция была аналогична устройству "ковшовой бригады" (BBD), разработанному в исследовательских лабораториях Philips в конце 1960-х годов. Первым экспериментальным устройством, демонстрирующим этот принцип, был ряд тесно расположенных металлических квадратов на окисленной кремниевой поверхности, к которым осуществлялся электрический доступ посредством проволочных соединений. Это было продемонстрировано Гилом Амелио, Майклом Фрэнсисом Томпсеттом и Джорджем Смитом в апреле 1970 года. Это было первое экспериментальное применение CCD в технологии датчиков изображения, в котором в качестве фотодетектора использовалась обедненная MOS-структура. Первый рабочий CCD, изготовленный с использованием технологии интегральных схем, представлял собой простой 8-битный сдвиговый регистр, о котором сообщили Томпсетт, Амелио и Смит в августе 1970 года. Это устройство имело входные и выходные схемы и использовалось для демонстрации его работы в качестве сдвигового регистра и примитивного восьмипиксельного линейного устройства формирования изображения. Разработка устройства продвигалась быстрыми темпами. К 1971 году исследователи Bell во главе с Майклом Томпсеттом смогли получать изображения с помощью простых линейных устройств. Несколько компаний, включая Fairchild Semiconductor, RCA и Texas Instruments, заинтересовались изобретением и начали разработку. Работа Fairchild, возглавляемая бывшим сотрудником Bell Labs Гилом Амелио, первой привела к созданию коммерческих устройств, и к 1974 году компания представила линейное устройство с 500 элементами и двумерное устройство с разрешением 100 × 100 пикселей. Питер Диллон, ученый из исследовательских лабораторий Kodak, изобрел первый цветной CCD-датчик изображения, наложив на этот Fairchild 100 x 100 пиксельный интерлинейный CCD массив цветовых фильтров, начиная с 1974 года. Стивен Сассон, инженер-электрик, работавший в подразделении Kodak Apparatus, изобрел цифровую камеру, используя тот же Fairchild 100 × 100 CCD в 1975 году. Устройство CCD с межстрочным переносом (ILT) было предложено Л. Уолшем и Р. Дайком в Fairchild в 1973 году для уменьшения размытия и устранения механического затвора. Для дальнейшего снижения размытия от ярких источников света архитектура CCD с межстрочным переносом кадра (FIT) была разработана К. Хори, Т. Куродой и Т. Кунии в Matsushita (ныне Panasonic) в 1981 году. Под руководством Кадзуо Ивамы компания Sony начала масштабную разработку CCD, вложив значительные инвестиции. В конечном итоге Sony смогла начать массовое производство CCD для своих видеокамер. До этого Ивама умер в августе 1982 года. Впоследствии на его надгробный камень был помещен чип CCD в знак признания его вклада. Первая массово производимая потребительская видеокамера CCD, CCD G5, была выпущена Sony в 1983 году на основе прототипа, разработанного Йошиаки Хагиварой в 1981 году. Ранние датчики CCD страдали от задержки затвора. Эта проблема была в значительной степени решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). Они пришли к выводу, что задержку можно устранить, если носители сигнала можно перенести от фотодиода к CCD. Это привело к их изобретению закрепленного фотодиода, фотодетекторной структуры с низкой задержкой, низким уровнем шума, высокой квантовой эффективностью и низким темным током. Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название "закрепленный фотодиод" (PPD) Б. К. Берки из Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начал включаться в большинство устройств CCD, став неотъемлемой частью потребительской видеоэлектроники, а затем и цифровых камер. С тех пор PPD используется почти во всех CCD-датчиках и, впоследствии, в CMOS-датчиках. В 2009 году они были удостоены Нобелевской премии по физике за изобретение концепции CCD. Майкл Томпсетт был удостоен Национальной медали в области технологий и инноваций в 2010 году за новаторскую работу и электронные технологии, включая проектирование и разработку первых CCD-датчиков изображения. Он также был удостоен медали IEEE Edison в 2012 году "за новаторский вклад в устройства формирования изображения, включая CCD-датчики, камеры и тепловизоры".

In a CCD image sensor, pixels are represented by p doped metal–oxide–semiconductor (MOS) capacitors. These MOS capacitors, the basic building blocks of a CCD, with MOS capacitors being the basic building blocks of a CCD, and a depleted MOS structure used as the photodetector in early CCD devices. In the late 1960s, Willard Boyle and George E. Smith at Bell Labs were researching MOS technology while working on semiconductor bubble memory. They realized that an electric charge was the analogy of the magnetic bubble and that it could be stored on a tiny MOS capacitor. As it was fairly straightforward to fabricate a series of MOS capacitors in a row, they connected a suitable voltage to them so that the charge could be stepped along from one to the next. The initial paper describing the concept in April 1970 listed possible uses as memory, a delay line, and an imaging device. The device could also be used as a shift register. The essence of the design was the ability to transfer charge along the surface of a semiconductor from one storage capacitor to the next. The concept was similar in principle to the bucket brigade device (BBD), which was developed at Philips Research Labs during the late 1960s. The first experimental device demonstrating the principle was a row of closely spaced metal squares on an oxidized silicon surface electrically accessed by wire bonds. It was demonstrated by Gil Amelio, Michael Francis Tompsett and George Smith in April 1970. This was the first experimental application of the CCD in image sensor technology, and used a depleted MOS structure as the photodetector. The first working CCD made with integrated circuit technology was a simple 8 bit shift register, reported by Tompsett, Amelio and Smith in August 1970. This device had input and output circuits and was used to demonstrate its use as a shift register and as a crude eight pixel linear imaging device. Development of the device progressed at a rapid rate. By 1971, Bell researchers led by Michael Tompsett were able to capture images with simple linear devices. Several companies, including Fairchild Semiconductor, RCA and Texas Instruments, picked up on the invention and began development programs. Fairchild's effort, led by ex Bell researcher Gil Amelio, was the first with commercial devices, and by 1974 had a linear 500 element device and a 2D 100 × 100 pixel device. Peter Dillon, a scientist at Kodak Research Labs, invented the first color CCD image sensor by overlaying a color filter array on this Fairchild 100 x 100 pixel Interline CCD starting in 1974. Steven Sasson, an electrical engineer working for the Kodak Apparatus Division, invented a digital still camera using this same Fairchild 100 × 100 CCD in 1975. The interline transfer (ILT) CCD device was proposed by L. Walsh and R. Dyck at Fairchild in 1973 to reduce smear and eliminate a mechanical shutter. To further reduce smear from bright light sources, the frame interline transfer (FIT) CCD architecture was developed by K. Horii, T. Kuroda and T. Kunii at Matsushita (now Panasonic) in 1981. Under the leadership of Kazuo Iwama, Sony started a large development effort on CCDs involving a significant investment. Eventually, Sony managed to mass produce CCDs for their camcorders. Before this happened, Iwama died in August 1982. Subsequently a CCD chip was placed on his tombstone to acknowledge his contribution. The first mass produced consumer CCD video camera, the CCD G5, was released by Sony in 1983, based on a prototype developed by Yoshiaki Hagiwara in 1981. Early CCD sensors suffered from shutter lag. This was largely resolved with the invention of the pinned photodiode (PPD). They recognized that lag can be eliminated if the signal carriers could be transferred from the photodiode to the CCD. This led to their invention of the pinned photodiode, a photodetector structure with low lag, low noise, high quantum efficiency and low dark current. The new photodetector structure invented at NEC was given the name "pinned photodiode" (PPD) by B. C. Burkey at Kodak in 1984. In 1987, the PPD began to be incorporated into most CCD devices, becoming a fixture in consumer electronic video cameras and then digital still cameras. Since then, the PPD has been used in nearly all CCD sensors and then CMOS sensors. and in 2009 they were awarded the Nobel Prize for Physics for their invention of the CCD concept. Michael Tompsett was awarded the 2010 National Medal of Technology and Innovation, for pioneering work and electronic technologies including the design and development of the first CCD imagers. He was also awarded the 2012 IEEE Edison Medal for "pioneering contributions to imaging devices including CCD Imagers, cameras and thermal imagers".

Основы работы

В ПЗС-матрице для захвата изображений имеется фоточувствительная область (эпитаксиальный слой кремния) и область переноса, реализованная на регистре сдвига (собственно ПЗС-матрица). Изображение проецируется через объектив на массив конденсаторов (фоточувствительную область), в результате чего каждый конденсатор накапливает электрический заряд, пропорциональный интенсивности света в данной точке. Одномерный массив, используемый в линейно-сканирующих камерах, захватывает один срез изображения, в то время как двумерный массив, применяемый в видео- и фотокамерах, захватывает двумерное изображение, соответствующее сцене, проецируемой в фокальную плоскость сенсора. После экспонирования массива, управляющая схема заставляет каждый конденсатор передавать свой заряд соседнему (функционируя как регистр сдвига). Последний конденсатор в массиве разряжает свой заряд в усилитель заряда, который преобразует заряд в напряжение. Повторяя этот процесс, управляющая схема преобразует все содержимое массива в полупроводнике в последовательность напряжений. В цифровом устройстве эти напряжения затем дискретизируются, оцифровываются и обычно сохраняются в памяти; в аналоговом устройстве (например, в аналоговой видеокамере) они преобразуются в непрерывный аналоговый сигнал (например, путем подачи выходного сигнала усилителя заряда на фильтр нижних частот), который затем обрабатывается и передается в другие схемы для передачи, записи или дальнейшей обработки.

Проектирование и производство

Фотоактивная область ПЗС, как правило, представляет собой эпитаксиальный слой кремния. Он слабо легирован p-типом (обычно бором) и выращивается на подложке, часто p++. В устройствах с зарытым каналом – типе конструкции, используемом в большинстве современных ПЗС – определенные участки поверхности кремния подвергаются ионной имплантации фосфором, что придает им n-тип легирования. Эта область определяет канал, по которому перемещаются фотогенерированные пакеты заряда. Саймон Сзе подробно описывает преимущества устройств с зарытым каналом:

Использование в астрономии

Из-за высокой квантовой эффективности приборов с зарядовой связью (ПЗС) (идеальная квантовая эффективность составляет 100%, один генерируемый электрон на один падающий фотон), линейности их выходных сигналов, простоты использования по сравнению с фотографическими пластинами и ряда других причин, ПЗС были очень быстро приняты астрономами практически для всех применений в диапазоне от ультрафиолета до инфракрасного излучения. Термический шум и космические лучи могут изменять пиксели в массиве ПЗС. Для противодействия этим эффектам астрономы делают несколько экспозиций с закрытым и открытым затвором ПЗС. Среднее значение изображений, полученных с закрытым затвором, необходимо для снижения случайного шума. После обработки среднее изображение темного кадра вычитается из изображения, полученного с открытым затвором, для удаления темного тока и других систематических дефектов (неработающие пиксели, горячие пиксели и т.п.) в ПЗС. Новые ПЗС типа Skipper противодействуют шуму, многократно собирая данные с одним и тем же накопленным зарядом, и применяются в прецизионных поисках тёмной материи и измерениях нейтрино. Космический телескоп Хаббл, в частности, имеет высокоразвитую последовательность этапов ("конвейер обработки данных") для преобразования необработанных данных ПЗС в полезные изображения. ПЗС-камеры, используемые в астрофотографии, часто требуют прочных монтировок для компенсации вибраций от ветра и других источников, а также значительного веса большинства изобразительных платформ. Для получения длительных экспозиций галактик и туманностей многие астрономы используют метод, известный как автонаведение. Большинство систем автонаведения используют второй ПЗС-чип для контроля отклонений во время съемки. Этот чип может быстро обнаруживать ошибки в сопровождении и давать команды двигателям монтировки для их исправления. Необычным астрономическим применением ПЗС является дрейф-сканирование, которое позволяет неподвижному телескопу вести себя как следящий телескоп и следовать за движением неба. Заряды в ПЗС передаются и считываются в направлении, параллельном движению неба, и с той же скоростью. Таким образом, телескоп может охватить большую область неба, чем его обычное поле зрения. Наиболее известным примером является Sloan Digital Sky Survey, использующий эту технику для создания карты более четверти неба. Космический телескоп Gaia – еще один инструмент, работающий в этом режиме, вращающийся вокруг своей оси с постоянной скоростью 1 оборот за 6 часов и сканирующий полосу 360° x 0,5° на небе в течение этого времени; звезда проходит через всю фокальную плоскость примерно за 40 секунд (эффективное время экспозиции). Помимо формирователей изображений, ПЗС также используются в различных аналитических приборах, включая спектрометры и интерферометры.

Due to the high quantum efficiencies of charge coupled device (CCD) (the ideal quantum efficiency is 100%, one generated electron per incident photon), linearity of their outputs, ease of use compared to photographic plates, and a variety of other reasons, CCDs were very rapidly adopted by astronomers for nearly all UV to infrared applications. Thermal noise and cosmic rays may alter the pixels in the CCD array. To counter such effects, astronomers take several exposures with the CCD shutter closed and opened. The average of images taken with the shutter closed is necessary to lower the random noise. Once developed, the dark frame average image is then subtracted from the open shutter image to remove the dark current and other systematic defects (dead pixels, hot pixels, etc.) in the CCD. Newer Skipper CCDs counter noise by collecting data with the same collected charge multiple times and has applications in precision light Dark Matter searches and neutrino measurements. The Hubble Space Telescope, in particular, has a highly developed series of steps ("data reduction pipeline") to convert the raw CCD data to useful images. CCD cameras used in astrophotography often require sturdy mounts to cope with vibrations from wind and other sources, along with the tremendous weight of most imaging platforms. To take long exposures of galaxies and nebulae, many astronomers use a technique known as auto guiding. Most autoguiders use a second CCD chip to monitor deviations during imaging. This chip can rapidly detect errors in tracking and command the mount motors to correct for them. An unusual astronomical application of CCDs, called drift scanning, uses a CCD to make a fixed telescope behave like a tracking telescope and follow the motion of the sky. The charges in the CCD are transferred and read in a direction parallel to the motion of the sky, and at the same speed. In this way, the telescope can image a larger region of the sky than its normal field of view. The Sloan Digital Sky Survey is the most famous example of this, using the technique to produce a survey of over a quarter of the sky. The Gaia space telescope is another instrument operating in this mode, rotating about its axis at a constant rate of 1 revolution in 6 hours and scanning a 360° by 0.5° strip on the sky during this time; a star traverses the entire focal plane in about 40 seconds (effective exposure time). In addition to imagers, CCDs are also used in an array of analytical instrumentation including spectrometers and interferometers.

Цветные камеры

Цифровые цветные камеры, включая цифровые цветные камеры в смартфонах, обычно используют интегральный датчик цветного изображения, на котором над монохромными пикселями ПЗС (CCD) нанесен массив цветовых фильтров. Наиболее распространенный тип CFA известен как фильтр Байера, названный в честь его изобретателя, ученого компании Kodak Брайса Байера. В Bayer-паттерне каждый квадрат из четырех пикселей содержит один красный, один синий и два зеленых фильтра (человеческий глаз обладает большей чувствительностью к яркости, которая в большей степени зависит от зеленого цвета, чем от красного или синего). В результате информация о яркости собирается в каждой строке и столбце по схеме «шахматной доски», а цветовое разрешение ниже, чем разрешение по яркости. Более четкое разделение цветов можно достичь с помощью трех ПЗС-матриц (3CCD) и дихроической призмы, которая разделяет изображение на красный, зеленый и синий компоненты. Каждая из трех ПЗС-матриц настроена на восприятие определенного цвета. Многие профессиональные видеокамеры и некоторые полупрофессиональные видеокамеры используют эту технологию, хотя развитие конкурирующей CMOS-технологии сделало CMOS-сенсоры, как с делителями луча, так и с фильтрами Байера, все более популярными в видеокамерах и цифровых кинокамерах высокого класса. Еще одним преимуществом 3CCD перед устройством с маской Байера является более высокая квантовая эффективность (более высокая светочувствительность), поскольку большая часть света от объектива попадает на один из кремниевых сенсоров, в то время как маска Байера поглощает значительную долю (более 2/3) света, падающего на каждую позицию пикселя. Для статичных сцен, например, в микроскопии, разрешение устройства с маской Байера можно повысить с помощью технологии микросканирования. В процессе цветовой совместной выборки создается несколько кадров сцены. Между кадрами сенсор перемещается на величину пикселя, так что каждая точка в поле зрения последовательно захватывается элементами маски, чувствительными к красному, зеленому и синему компонентам ее цвета. В конечном итоге каждый пиксель изображения сканируется как минимум один раз в каждом цвете, и разрешение трех каналов становится эквивалентным (разрешение красного и синего каналов увеличивается в четыре раза, а зеленого – удваивается).

Digital color cameras, including the digital color cameras in smartphones, generally use a integral color image sensor, which has a color filter array fabricated on top of the monochrome pixels of the CCD. The most popular CFA pattern is known as the Bayer filter, which is named for its inventor, Kodak scientist Bryce Bayer. In the Bayer pattern, each square of four pixels has one filtered red, one blue, and two green pixels (the human eye has greater acuity for luminance, which is more heavily weighted in green than in either red or blue). As a result, the luminance information is collected in each row and column using a checkerboard pattern, and the color resolution is lower than the luminance resolution. Better color separation can be reached by three CCD devices (3CCD) and a dichroic beam splitter prism, that splits the image into red, green and blue components. Each of the three CCDs is arranged to respond to a particular color. Many professional video camcorders, and some semi professional camcorders, use this technique, although developments in competing CMOS technology have made CMOS sensors, both with beam splitters and Bayer filters, increasingly popular in high end video and digital cinema cameras. Another advantage of 3CCD over a Bayer mask device is higher quantum efficiency (higher light sensitivity), because most of the light from the lens enters one of the silicon sensors, while a Bayer mask absorbs a high proportion (more than 2/3) of the light falling on each pixel location. For still scenes, for instance in microscopy, the resolution of a Bayer mask device can be enhanced by microscanning technology. During the process of color co site sampling, several frames of the scene are produced. Between acquisitions, the sensor is moved in pixel dimensions, so that each point in the visual field is acquired consecutively by elements of the mask that are sensitive to the red, green, and blue components of its color. Eventually every pixel in the image has been scanned at least once in each color and the resolution of the three channels become equivalent (the resolutions of red and blue channels are quadrupled while the green channel is doubled).

Размеры датчиков

Датчики (CCD / CMOS) выпускаются различных размеров, или форматов изображения. Эти размеры часто указываются в виде дробной части дюйма, например, 1/1.8″ или 2/3″, что называется оптическим форматом. Эта система измерения берет свое начало в 1950-х годах, во времена видеокамер с трубками Видикон.

Цветение

Когда экспозиция ПЗС достаточно длительная, электроны, накапливающиеся в "ячейках" в самой яркой части изображения, в конечном итоге переполняют ячейку, что приводит к эффекту расплывания (blooming). Структура ПЗС позволяет электронам течь легче в одном направлении, чем в другом, вызывая вертикальные полосы. Некоторые функции защиты от расплывания, которые могут быть встроены в ПЗС, снижают его светочувствительность, используя часть площади пикселя для дренажной структуры. Джеймс М. Эрли разработал вертикальный дренаж защиты от расплывания, который не уменьшал площадь сбора света и, следовательно, не снижал светочувствительность.