УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ ДЛЯ ДВУХМЕРНЫХ ПРИЕМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01L29/768 

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.

Известно устройство считывания фотосигналов на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения на основе фотодиодов (Rode J.P. Hybrid HgcdTe Arrays. SPIE, v. 443, 1983, p. 120-130).

Устройство считывания, выполненное на полупроводниковой подложке, содержит матрицу входных устройств на приборах с зарядовой связью, столбцовые шины считывания, мультиплексор, а каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика зарядно связанные входной затвор, затвор накопления, затвор переноса.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжений на входной затвор и затвор накопления на входной диффузионной области, соединенным с ней фотоприемнике, устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором. Часть тока, текущего через фотоприемник, инжектируется в потенциальную яму под затвором накопления. При подаче открывающего импульса на затвор переноса информационные заряды одновременно передаются в столбцовые шины считывания. Далее информационные заряды со столбцовых шин одновременно передаются в мультиплексор и последовательно детектируются на общем выходном устройстве.

Недостаток такого устройства заключается в том, что размещение многоэлектродной структуры в каждой ячейке ограничивает площадь затвора накопления. Затвор накопления занимает не более 10% общей площади, для ячейки 50х50 мкм максимальная зарядовая емкость затвора накопления не превышает (2-5)•10⁶ электронов. Это ограничивает возможность таких устройств считывания в системах с фоновым излучением больше (1-5)•10¹³ фотонов/см²с.

Известно также устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения (Авторское свидетельство СССР N 1625292, кл. Н 01 L 29/796, опубликовано БИ N 29, 1995 г.

Устройство считывания, выполненное на полупроводниковой подложке, содержит матрицу входных устройств на приборах с зарядовой связью, а каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика зарядно связанные входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, выходную диффузионную область, столбцовую шину считывания, формирователь строчных управляющих напряжений, многовходовый коммутатор.

Данное устройство является ближайшим к предлагаемому техническому решению.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжений на входной затвор, затвор накопления, на входной диффузионной области, соединенным с ней фотоприемнике, устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором. Часть тока, текущего через фотоприемник, инжектируется в потенциальную яму под затвором накопления. При подаче открывающего импульса на затвор переноса информационные заряды соответствующей строки параллельно передаются в столбцовые шины считывания и далее в многовходовый коммутатор. Недостаток такого устройства, как и вышеописанного аналога, заключается в том, что площадь и, следовательно, зарядовая емкость затвора накопления ограничивает возможность использования таких устройств в системах с уровнем фонового излучения больше 5 • 10¹³ фотонов/см²с или требует предельно высоких скоростей считывания информационных сигналов.

Техническим результатом изобретения является увеличение зарядовой емкости устройств считывания для повышения их чувствительности.

Технический результат достигается тем, что в устройстве считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения, выполненном на полупроводниковой подложке и содержащем матрицу ячеек входных устройств, каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, выходную диффузионную область, образующих цепочку зарядно связанных элементов, столбцовую шину считывания, формирователь строчных управляющих напряжений, многовходовой коммутатор, шину управления входным затвором, шину управления затвором накопления, шину управления затвором переноса, причем матрица входных устройств выполнена из фрагментов, состоящих из 4 ячеек входных устройств, каждая ячейка фрагмента дополнительно содержит второй входной затвор, вторую шину управления входным затвором, первую и вторую шины управления вторыми входными затворами, а затвор накопления, затвор переноса, выходная диффузионная область выполнены общими для всех ячеек фрагмента, первый входной затвор, второй входной затвор, затвор накопления образуют цепочку зарядно связанных элементов, первые входные затворы первой и второй ячеек устройства ввода фрагмента соединены с первой шиной управления, первые входные затворы третьей и четвертой ячеек устройств ввода фрагмента - с второй шиной управления входными затворами, вторые входные затворы первой и третьей ячеек устройств ввода фрагмента соединены с первой шиной управления вторыми входными затворами, вторые входные затворы второй и четвертой ячеек устройств ввода фрагмента соединены с второй шиной управления вторыми входными затворами.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства считывания на приборах с зарядовой связью, где 1, 2, 3, и 4 - контактные площадки к фотоприемникам и входные диффузионные области первой, второй, третьей и четвертой ячеек входного устройства фрагмента соответственно, 5, 6, 7 и 8 - первые входные затворы первой, второй, третьей и четвертой ячеек входного устройства фрагмента соответственно, 9, 10, 11 и 12 - вторые входные затворы первой, второй, третьей и четвертой ячеек входного устройства фрагмента соответственно, 13 - затвор накопления, 14 - затвор переноса, 15 - выходная диффузионная область, 16 - первая шина управления первыми входными затворами первой и второй ячеек ввода фрагмента, 17 - вторая шина управления первыми входными затворами третьей и четвертой ячеек ввода фрагмента, 18 - первая шина управления вторыми входными затворами первой и третьей ячеек ввода фрагмента, 19 - вторая шина управления вторыми входными затворами второй и четвертой ячеек ввода фрагмента, 20 - шина управления затвором накопления, 21 - шина управления затвором переноса, 22 - формирователь строчных управляющих напряжений, 23 - столбцовая шина считывания, 24 - многовходовый коммутатор.

В первой ячейке устройства ввода фрагмента входная диффузионная область 1, первый входной затвор 5, второй входной затвор 9, затвор накопления 13, затвор переноса 14 и выходная диффузионная область 15 образуют цепочку зарядно связанных элементов. Во второй ячейке устройства ввода фрагмента входная диффузионная область 2, первый входной затвор 6, второй входной затвор 10, затвор накопления 13, затвор переноса 14 и выходная диффузионная область 15 образуют цепочку зарядно связанных элементов. В третьей ячейке устройства ввода фрагмента входная диффузионная область 3, первый входной затвор 7, второй входной затвор 11, затвор накопления 13, затвор переноса 14 и выходная диффузионная область 15 образуют цепочку зарядно связанных элементов. В четвертой ячейке устройства ввода фрагмента входная диффузионная область 4, первый входной затвор 8, второй входной затвор 12, затвор накопления 13, затвор переноса 14 и выходная диффузионная область 15 образуют цепочку зарядно связанных элементов.

Временная диаграмма управляющих напряжений приведена на фиг. 2.

Устройство работает следующим образом. При подаче управляющих напряжений на первую шину управления первыми входными затворами U₁₆, на первую шину управления вторыми входными затворами U₁₈, постоянного напряжения на шину управления затвором накопления U₂₀, причем U₂₀ > U₁₈ > U₁₆, на входной диффузионной области 1 первой ячейки устройства ввода фрагмента и соответственно на фотоприемнике, устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под первым входным затвором 5. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под первым входным затвором 5, вторым входным затвором 9 в потенциальную яму под затвором накопления 13. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса U₂₁ информационные заряды параллельно из первых ячеек фрагментов передаются в выходную диффузионную область 15 и шину - столбцовую шину считывания 23 и на соответствующие входы многовходового коммутатора. Таким образом считывается информация с первой ячейки устройств ввода фрагмента матрицы входных устройств.

В следующем цикле считывается информация со вторых ячеек устройств ввода фрагмента. Для этого подаются управляющие напряжения на первую шину управления первыми входными затворами U₁₆, на вторую шину управления вторыми входными затворами U₁₉, постоянного напряжения на шину управления затвором накопления U₂₀, причем U₂₀ > U₁₉ > U₁₆, на входной диффузионной области 2 второй ячейки устройства ввода фрагмента и соответственно на фотоприемнике, устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под первым входным затвором 6. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под первым входным затвором 6, вторым входным затвором 10 в потенциальную яму под затвором накопления 13. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса U₂₁ информационные заряды параллельно из первых ячеек фрагментом передаются в выходную диффузионную область 15 и шину - столбцовую шину считывания 23 и на соответствующие входы многовходового коммутатора. Таким образом считывается информация с вторых ячеек устройств ввода фрагментов матрицы входных устройств.

Далее считывается информация с третьих ячеек устройств ввода фрагмента. Для этого подаются управляющие напряжения на вторую шину управления первыми входными затворами U₁₇, на первую шину управления вторыми входными затворами U₁₈, постоянного напряжения на шину управления затвором накопления U₂₀, причем U₂₀ > U₁₈ > U₁₇, на входной диффузионной области 3 третьей ячейки устройства ввода фрагментов и соответственно на фотоприемнике устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под первым входным затвором 7. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под первым входным затвором 7, вторым входным затвором 11 в потенциальную яму под затвором накопления 13, Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса U₂₁ информационные заряды параллельно из первых ячеек фрагментов передаются в выходную диффузионную область 15 и шину - столбцовую шину считывания 23 и на соответствующие входы многовходового коммутатора. Таким образом считывается информация с третьих ячеек устройств ввода фрагментов матрицы входных устройств.

Далее считывается информация с четвертых ячеек устройств ввода фрагмента. Для этого подаются управляющие напряжения на вторую шину управления первыми входными затворами U₁₇, на вторую шину управления вторыми входными затворами U₁₉, постоянного напряжения на шину управления затвором накопления U₂₀, причем U₂₀ > U₁₉ > U₁₇, на входной диффузионной области 4 четвертой ячейки устройства ввода фрагмента и соответственно на фотоприемнике устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под первым входным затвором 8. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под первым входным затвором 8, вторым входным затвором 12 в потенциальную яму под затвором накопления 13. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса U₂₁ информационные заряды параллельно из первых ячеек фрагментов передаются в выходную диффузионную область 15 и шину - столбцовую шину считывания 23 и на соответствующие входы многовходового коммутатора. Таким образом считывается информация с четвертых ячеек устройств ввода фрагментов матрицы входных устройств.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает также возможность одновременно считать сигналы с любых двух, либо со всех четырех фотоприемников одного фрагмента, например, для одновременного считывания суммарного фотосигнала с первой и второй ячеек устройств ввода фрагмента необходимо подать управляющие напряжения на первую шину управления 16 первыми входными затворами на обе шины управления 18 и 19 вторыми входными затворами. Для одновременного считывания сигналов со всех ячеек устройств ввода фрагмента необходимо подать управляющие напряжения на обе шины управления 16 и 17 первыми входными затворами и на обе шины управления 18 и 19 вторыми входными затворами.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:
1. Уменьшение количества электродов в ячейке устройства считывания, в частности объединение затворов накопления, затворов переноса, выходных диффузионных областей четырех ячеек устройства ввода фрагментов, обеспечивает возможность увеличить площадь затвора накопления до (2^х - 3^х) площадей элементарной ячейки устройства считывания. Это позволит увеличить зарядовую емкость затвора накопления до (1-4)•10⁸ электронов для ячейки с размерами 50х50 мкм, в зависимости от толщины подзатворного диэлектрика под затвором накопления. Известно, что обнаружительная способность растет, как корень квадратный из времени накопления, следовательно, увеличение зарядовой емкости затвора накопления обеспечивает возможность увеличить время накопления и, следовательно, обнаружительную способность ФПУ на их основе. Увеличение времени накопления также снижает требования к пропускной способности измерительного канала. Таким образом, увеличение зарядовой емкости устройства считывания позволит реализовать двухмерные фотоприемные матрицы, предназначенные для работы при больших фоновых нагрузках, больших 10¹⁵ фотонов/см², а также увеличить степень интеграции.

2. Предлагаемое устройство обеспечивает дополнительную возможность в одном цикле накопления считать (суммировать) фотосигналы с любых двух либо одновременно с четырех фотоприемников, одного фрагмента. Это дает дополнительные возможности в области обработки фотосигналов, в системах распознавания образов и т.д.

Использование: в области интегральной микроэлектроники, в системах обработки оптической информации. Сущность изобретения: устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения выполнено на полупроводниковой подложке и содержит матрицу ячеек входных устройств. Каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, выходную диффузионную область, образующие цепочку зарядно связанный элементов, столбцевую шину считывания, формирователь сточных управляющих напряжений, многовходовой коммутатор, шину управления входным затвором, шину управления затвором накопления, шину управления затвором переноса. Матрица входных устройств выполнена из фрагментов, состоящих из 4 ячеек входных устройств, каждая ячейка фрагмента дополнительно содержит второй входной затвор, вторую шину управления входным затвором, первую и вторую шины управления вторыми входными затворами, причем затвор накопления, затвор переноса, выходная диффузионная область выполнены общими для всех ячеек фрагмента, первый входной затвор, второй входной затвор, затвор накопления образуют цепочку зарядно связанных элементов, первые входные затворы первой и второй ячеек устройств ввода фрагмента соединены с первой шиной управления, первые входные затворы третьей и четвертой ячеек устройств ввода фрагмента с второй шиной управления входными затворами, вторые входные затворы первой и третьей ячеек устройств ввода фрагмента соединены с первой шиной управления вторыми входными затворами, вторые входные затворы второй и четвертой ячеек устройств ввода фрагмента соединены с второй шиной управления вторыми входными затворами. Техническим результатом изобретения является увеличение зарядовой емкости устройств считывания для повышения их чувствительности. 2 ил.

Устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения, выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее матрицу ячеек входных устройств, каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика первый входной затвор, второй входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, выходную диффузионную область, образующие цепочку зарядно связанных элементов, столбцевую шину считывания, формирователь строчных управляющих напряжений, многовходовой коммутатор, шину управления первым входным затвором, шину управления вторым входным затвором, шину управления затвором переноса, отличающееся тем, что матрица входных устройств выполнена из фрагментов, состоящих из 4 ячеек входных устройств, каждая ячейка фрагмента дополнительно содержит вторую шину управления первыми входными затворами, вторую шину управления вторыми входными затворами, причем затвор накопления, затвор переноса, выходная диффузионная область выполнены общими для всех ячеек фрагмента, первые входные затворы первой и второй ячеек устройств ввода фрагмента соединены с шиной управления первыми входными затворами, первые входные затворы третьей и четвертой ячеек устройств ввода фрагмента соединены с дополнительной шиной управления первыми входными затворами, вторые входные затворы первой и третьей ячеек устройств ввода фрагмента соединены с шиной управления вторыми входными затворами, вторые входные затворы второй и четвертой ячеек устройств ввода фрагмента соединены с дополнительной шиной управления вторыми входными затворами.