ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ МАТРИЦА Российский патент 1997 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области полупроводниковых преобразователей изображения, в частности к фоточувствительным матрицам (ФЧМ), и может быть использовано в тепловизионных фотоприемных устройствах (ФПУ), работающих в режиме вещательного стандарта в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

Известна ФЧМ, включающая ячейки разложения изображения, каждая из которых содержит устройство преобразования-ввода сигнала на основе ИК-фотодиода и элемента ПЗС, накопитель и элемент выборки, также выполненные на элементах ПЗС [1]
К недостаткам указанной ФЧМ относятся пониженное значение отношения сигнал/шум при работе в спектральном диапазоне 8-12 мкм, необходимость использования внешнего буфера-накопителя и сверхжесткие требования к быстродействию устройств опроса и обработки выходного сигнала.

Известна также ФЧМ, включающая ячейки разложения изображения, каждая из которых содержит устройство преобразования-ввода сигнала на основе ИК-фотодиода и МДП-транзистора, накопитель в виде МДП-конденсатора и элемент выборки в виде МДП-транзистора [2] Указанная ФЧМ является наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и принципу действия и принята за прототип.

К недостаткам указанной ФЧМ также следует отнести низкое значение отношения сигнал/шум, необходимость использования внешнего буфера-накопителя и чрезмерно жесткие требования к быстродействию этого буфера и устройств опроса при работе в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

В силу больших фоновых токов и ограниченной зарядовой емкости накопителя для прототипа при характерных топологических, электрофизических и режимных параметрах ФЧМ типичными являются значения времени накопления Tпротнак

≃ 30 мкс, что очень мало по сравнению со временем кадра T_к (обычно T_к ≃ 40 мс). Это приводит к тому, что величина отношения сигнал/шум у ФЧМ мала по сравнению с оптимальным значением, получаемым при T_нак T_к. Требуемый в силу указанных обстоятельств буферный накопитель при формате ФЧМ N_m 200 х 200 должен иметь быстродействие ≃ N_м/Tghjnнак ≃ 1,3•10⁹ Гц, что чрезмерно велико для современной элементной базы, а быстродействие устройств опроса при построчном считывании информации , что также является весьма серьезным требованием.

Техническим результатом изобретения являются увеличение отношения сигнал/шум и упрощение требований к устройствам обработки выходного сигнала и опроса.

Указанная цель достигается тем, что известная фоточувствительная матрица, включающая ячейки разложения изображения, каждая из которых содержит устройство преобразования-ввода сигнала, накопитель и элемент выборки, дополнительно содержит в каждой ячейке управляемый ключ, размещенный между устройством преобразования-ввода сигнала и накопителем, а последний выполнен в виде терморезистора.

Кроме того, каждая ячейка разложения может дополнительно содержать управляемый ключ-ответвитель, соединенный с выходом устройства преобразователя-ввода сигнала.

Для получения оптимального результата накопитель должен быть выполнен с тепловой постоянной времени, соответствующей времени кадра.

Такое выполнение фоточувствительной матрицы позволяет повысить отношение сигнал/шум и упростить требования к устройствам обработки выходного сигнала и опроса.

Введение дополнительного ключа между устройством преобразования-ввода и накопителем, а также выполнение накопителя в виде терморезистора позволяют эффективно накапливать воздействие входного сигнала в течение увеличенного интервала времени. Увеличение времени накопления (в принципе до значений T_нак T_к) повышает отношение сигнал/шум и снижает требования к быстродействию устройств обработки выходного сигнала до значений ≃ N_м/T_к ≃ 1 МГц а опроса до .

Введение дополнительного ключа-ответвителя позволяет стабилизировать рабочую точку устройства преобразователя-ввода сигнала при переключениях в ячейке и практически исключить таким образом переходные процессы в указанном устройстве.

Предельные возможности улучшения отношения сигнал/шум при использовании изобретения по сравнению с прототипом определим из того условия, что в режиме ограничения фоном (РОФ, или BLIP-режиме) шумы прототипа определяются максимальным фоновым зарядом, накопленным в емкости накопителя за время Tghjnнак

, и, выраженные в числе носителей заряда, равны (I_фонTghjnнак/q)^1/2. Величина полезного сигнала накопителя в тех же единицах измерения равна I_c•Tghjnнак/q. Здесь I_фон I_фон.уд•А_фчэ•sin²β_э фоновый ток устройства преобразования-ввода сигнала, в нашем случае он равен фоновому току фотодиода, I_фон.уд его удельное значение, A_фчэ площадь фоточувствительного элемента (ФЧЭ), 2β_э эффективный плоский угол поля зрения ФЧЭ, I_c сигнальный ток ФЧЭ, q заряд электрона.

Таким образом, для прототипа отношение сигнал/шум в РОФ

В то же время, при протекании фототока I_фон+I_c через терморезистор с тепловым коэффициентом сопротивления α баланс тепловой мощности определяется выражением

где T_окр.ср температура окружающей среды;
A_тер площадь поверхности терморезистора, воспринимающей и излучающей тепло;
R_тер = R_o(1 + α•ΔT_тер) сопротивление терморезистора при воздействии тока I_фон+I_с;
ΔT_o приращение температуры терморезисторов над уровнем T_окр.ср при воздействии тока I_фон в установившемся режиме;
ΔT_тер дополнительное приращение температуры терморезистора за счет тока I_c;
R_o сопротивление терморезистора при воздействии тока I_фон в установившемся режиме;
R_тер тепловое сопротивление терморезистора относительно элементов конструкции ФЧМ;
с_т теплоемкость терморезистора;
σ постоянная Стефана-Больцмана;
t время.

Левая часть (2) отражает приток тепловой энергии из окружающей среды и за счет джоулева тепла, выделяемого в терморезисторе, в правой части учтены потери тепла терморезистором за счет тепловых утечек на элементы конструкции, теплоотдачи в окружающую среду, а также приращение температуры терморезистора.

При выполнении условий

выражение (2) приводится к виду

Введя следующие выражения для эквивалентных тепловых проводимости G_тэ (Вт/К), сопротивления R_тэ (К/Вт) и постоянной времени

получим из (3)

Отсюда установившеея значение ΔT_тер

Из (5) следует также, что частотная характеристика приращения температуры описывается выражением

Тогда спектральная плотность мощности шумовой температуры:

где I2m

(f) спектральная плотность шума тока терморезистора.

При I2m

(f) 2qI_оф, интегрируя (8), получим, что дисперсия температуры терморезистора
σ2т = (2/τ_тэ)•qI3фонR2oR2тэ ; (9)
в соответствии с температурной зависимостью сопротивления терморезистора дисперсия и среднеквадратичное отклонение этого параметра

При длительном (в течение интервала времени t_c > 2τ_тэ) протекании через терморезистор добавочного к фоновому току I_фон тока I_c соответствующее приращение сопротивления с учетом (6)
ΔR_тер(t_с) ≃ α•2I_oR2терR_тэI_с,
а отношение сигнал/шума в РОФ

Сравнивая (11) и (1), находим, что при использовании терморезистора в качестве накопителя можно получить выигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с прототипом в

раз, где могут быть реализованы значения τ_тэ ≃ T_к ≫ Tпротнак [3]. При τ_тэ ≃ 10...20 мс получим N_отн ≃ 26...36.

Как указывалось выше, такие значения τтэ позволяют использовать типичные для современных приборов частоты опроса и обработки выходного сигнала <≃ 1 МГц.

Очевидно, что и при τ_тэ < T_к предлагаемое изобретение дает выигрыш (но меньший) в отношении сигнал/шум (12) и требованиях к быстродействию устройств опроса и обработки выходного сигнала. При этом для увеличения выигрыша в отношении сигнал/шум возможно введение традиционного внешнего буфера-накопителя.

В качестве примера реализации принципа предлагаемого изобретения может быть приведена схема, изображенная на чертеже.

Ячейка 1 разложения изображения содержит устройство 2 преобразования-ввода сигнала (например, в виде фотодиода из материала КРТ и входного МДП-транзистора), накопитель 3 в виде терморезистора, элемент выборки 4 и ключ 5 в виде МДП-транзисторов. Кроме того, на чертеже указаны сканер строк 6, преобразователи 7, управляемые коммутаторы 8, выход ФЧМ 9, сканер столбцов 10, а также дополнительный ключ-ответвитель 11, введенный для одной из ячеек.

Опрос ячеек 1 производится построчно с помощью сканера 6, управляющего элементами выборки 4 и ключами 5, в результате чего сигналы, снимаемые с накопителей 3 данной строки, поступают на входы преобразователей 7 и затем поочередно коммутируются коммутаторами 8 на выход 9 ФЧМ посредством сканера 10. При этом элементы 4 и 5 при работе ФЧМ действуют "противофазно": практически все время кадра T_к ключ 5 замкнут, а элемент выборки 4 разомкнут; на время опроса T_опр ≃ T_к(N_м)^1/2 импульс напряжения с выхода сканера строк 8 меняет состояния указанных элементов на противоположные. Таким образом, изменение сопротивления, накапливавшееся в течение времени ≃ T_{к =} в накопителе 3 за счет приращения тока устройства 2, преобразуется в выходной сигнал.

Размыкание ключа 5 на время опроса T_опр исключает влияние дробового шума фонового тока в широкой полосе частот, соответствующей короткому интервалу времени T_опр. При этом используется эквивалентная шумовая полоса частот терморезистора ≃ 1/τ_тэ как в (10). Если же ключ 5 на время T_опр оставался замкнутым (или вообще отсутствовал), то на входе преобразователя 9 действовала дополнительная шумовая компонента дробового шума фонового тока с эквивалентной шумовой полосой ≃ 1/T_опр.

С целью дополнительной стабилизации режима работы устройства 2 преобразования-ввода сигнала каждая ячейка 1 может дополнительно содержать управляемый ключ-ответвитель 11 (например, в виде МДП-транзистора), соединенный с выходом устройства 2. При этом управление ответвителем 11 может осуществляться тем же импульсом сканера 6, что и управление ключом 5 и элементом выборки 4, причем состояние ответвителя 11 в любой момент времени работы ФЧМ совпадает с состоянием элемента выборки 4. Действие ответвителя 11 заключается в том, что на время опроса он замыкает ток устройства 2 на общую шину, сохраняя прежней рабочую точку и практически исключая какие-либо переходные процессы в устройстве 2. По окончании времени опроса и размыкания ответвителя 11 одновременно с замыканием ключа 5 ток устройства 2 вновь перенаправляется в накопитель 3.

Покажем далее возможность практической реализации поставленной цели на примере схемы, приведенной на чертеже, и указанной элементной базы.

При опросе ячейки ток терморезистора 3 равен току элемента выборки 4 и может быть выражен [4] в виде

где μ подвижность носителей в канале элемента выборки 4;
G_ох.уд удельная емкость затвора элемента 4;
W/L отношение ширины канала к его длине в элементе 4;
U_зи разность потенциалов между затвором и истоком указанного элемента, за вычетом порогового напряжения;
U_з потенциал на затворе элемента 4, за вычетом порогового напряжения,
b = μC_ох.уд(W/L).
Приращение ΔI(ΔR_тер) тока I при изменении сопротивления R_тер на величину ΔR_тер

где в последнем выражении опущен член второго порядка малости.

Отсюда и из (13) несложно получить

Поскольку крутизна МДП транзистора
g = ∂I/∂U_зи = βU_зи,
то соответствующее приведенное к затвору элемента выборки 4 напряжение относительно истока равно

С учетом влияния собственной ЭДС шума e_шв элемента выборки 5, ЭДС шума e_шп преобразователя 7, полагая терморезистор генератором напряжения теплового шума спектральной плотности 4kTR_o, а эквивалентную шумовую полосу тракта обработки сигнала за элементом выборки 4 равной Δf_шэ, получим приведенное к затвору элемента 4 значение дисперсии шумового напряжения от указанных источников

где K(f) частотная характеристика тракта, Свх емкость на входе преобразователя 7.

Полагая K(f) соответствующей 2-звенному RC-фильтру с одинаковыми постоянными времени τ в каждом звене, получим

Поскольку переходная характеристика указанного фильтра f(t) = 1-(1+t/τ)exp(-t/τ) определяет время нарастания отклика до уровня 0,9 от установившегося значения как t_фр≃ 4τ, то примем τ ≃ T_опр/4 ≃ T_к/(4N1/2м

) ≃ 50 мкс. Примем также T 80K, R_o 1 МОм, e_шв e_шп= 30 нВ/Гц^1/2, 1,7•10³ см²B^-1c^-1, W/L 0,3, С_ох.уд.= 4•10^-8 Ф/см², U_зи=1 B. Емкость С_вх определяется, в основном, столбцовой шиной и может быть принята равной 10^-11 Ф (длина шины ≃ 10 мм при шаге ячеек 50 мкм, ширина - 10 мкм, толщина диэлектрика SiO₂ 0,4 мкм). Тогда g 2•10^-5 A/B, ΔU2зиш=2,2•10^-12B².

В то же время, вблизи температуры T 80 K у полупроводниковых терморезисторов можно ожидать значений α ≃ 0,46 1/K [5] Для А_фчэ ≃ 2,5•10^-5 см², β_э= 30^° в диапазоне спектра 8-12 мкм ток I_фон ≃ 6•10^-7 A [6] При достигнутых значениях R_тэ ≃ 10⁷ К/Вт и τ_тэ≃ 10...20 мс из (15) и (10) имеем ΔU2зи

(σR_тер) 3,3•10^-11 B².

Сравнивая последний результат с полученным выше значением ΔU2зиш

, видим, что шумы, определяемые потоком падающего излучения, больше шумов электронного тракта, т.е. реализуется РОФ.

Таким образом, введение ключа 5 и использование терморезистора в качестве накопителя 3 позволяет повысить отношение сигнал/шум и радикально облегчить требования к устройствам опроса и обработки сигнала.

Очевидно, что область применения предлагаемого изобретения может быть распространена и на те случаи, когда ФЧМ должна работать не в вещательном, а в малокадровом режиме с использованием, например, устройства преобразования-ввода, чувствительного в более коротковолновой области спектра. При этом желательно увеличение τ_тэ. Если же последнее не удается в силу технологических причин, то предлагаемое изобретение по крайней мере облегчает требования к устройству обработки выходного сигнала и допускает включение в его состав традиционного буфера-накопителя.

Использование: в тепловизионных фотоприемных устройствах, работающих в режиме вещательного стандарта в спектральном диапазоне 8-12 мкм. Сущность: матрица содержит ячейки разложения изображения, включающие устройство преобразования-ввода сигнала, накопитель и элемент выборки. Каждая ячейка дополнительно содержит управляемый ключ и размещенный между устройством преобразования-ввода сигнала и накопителем, а накопитель выполнен в виде терморезистора. Каждая ячейка разложения изображения может дополнительно содержать управляемый ключ-ответвитель, соединенный с выходом устройства преобразования-ввода сигнала, а накопитель может быть выполнен с тепловой постоянной времени, соответствующей времени кадра. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фоточувствительная матрица, включающая ячейки разложения изображения, каждая из которых содержит устройство преобразования ввода сигнала, накопитель и элемент выборки, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит в каждой ячейке управляемый ключ, размещенный между устройством преобразования ввода сигнала и накопителем, а последний выполнен в виде терморезистора. 2. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что каждая ячейка разложения изображения дополнительно содержит управляемый ключ ответвитель, соединенный с выходом устройства преобразования ввода сигнала. 3. Матрица по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что накопитель выполнен с тепловой постоянной времени, соответствующей времени кадра.