СПОСОБ СЧИТЫВАНИЯ СИГНАЛЬНОГО ЗАРЯДА С МАТРИЧНОГО ПЗИ-ФОТОПРИЕМНИКА Российский патент 2008 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при реализации фотоприемных устройств различных спектральных диапазонов.

Известен способ считывания сигнального заряда с матричного фотоприемника, когда применяют прямую инжекцию заряда во входную диффузионную область регистра считывания на приборе с зарядовой связью (ПЗС) (под ред. Д.Ф.Барба, Приборы с зарядовой связью, М., Мир, 1982, с.74, 75). Недостаток способа проявляется в том, что в результате неконтролируемых флюктуаций порогового напряжения отдельные входные МДП-транзисторы матрицы могут оказаться полностью закрытыми, что подавляет инжекцию информационного заряда в ПЗС-регистр.

Известен способ считывания сигнального заряда с матричного прибора зарядовой инжекции (ПЗИ) фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, и получения массива сигналов, кадра. Каждый элемент имеет свой ключ выборки, выполненный на полевом транзисторе («Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона», «Наука», Новосибирск, 2001, с.82, 83). В способе потенциал затвора элемента ПЗИ-приемника привязывают к поверхностному потенциалу истоковой области полевого транзистора ключа выборки, а потенциал столбцовой шины привязывают к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС усилителя, используя «налив» и «слив» заряда, после чего через разделительную емкость на затвор ПЗИ-элемента подают импульс инжекции, что приводит к вводу сигнального заряда через открытый ключ выборки и столбцовую шину в ПЗС-усилитель.

Однако в процессе привязки потенциала столбцовой шины при достижении равенства ее потенциала и поверхностного потенциала истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя ток носителей не прекращается из-за эффекта «испарения» из ямы. При этом часть заряда столбцовой шины перетекает в ПЗС-усилитель, создавая там паразитный заряд, который складывается с полезным сигналом. Величина заряда столбцовой шины может меняться во времени, например, из-за изменения заряда на поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-диэлектрик под входным затвором ПЗС-усилителя. Такое изменение заряда столбцовой шины приводит к изменению паразитного заряда, что приводит к дополнительному шуму. Спектральный состав такого шума имеет низкочастотные компоненты 1/F, что соответствует известным данным о характере шумов в МДП-транзисторе, вызванных перезарядкой поверхностных состояний под затвором. Величина такого шума может быть весьма заметной, т.к. в реальных приборах емкость столбцовой шины может превышать емкость входного затвора в 40 раз и более. Т.е. изменение заряда, захваченного на границе раздела подзатворный диэлектрик-полупроводник под входным затвором, на 1 электрон приведет к изменению заряда столбцовой шины на 40 электронов и более. Часть этого изменения приведет к изменению паразитного заряда и увеличит шум считывания сигнального заряда с ПЗИ-приемника. По оценкам случайный процесс перезарядки поверхностных состояний с плотностью на уровне 10⁹см^-2эВ^-1 на границе Si-SiO₂ под входным затвором может дать избыточный шум на уровне 200 электронов.

Недостатком способа является избыточный шум.

Техническим результатом изобретения является улучшение качества изображения (получаемых кадров) за счет снижения уровня шумов с частотами ниже строковой при считывании сигнала с матричного ПЗИ-фотоприемника.

Технический результат достигается тем, что в способе считывание сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, заключающееся в получении массива сигналов с элементов, кадра, причем сигнальный заряд каждого элемента инжектируют через свой открытый ключ выборки и столбцовую шину во входную диффузионную область зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, с предварительным циклом привязки потенциала затвора ПЗИ-элемента и потенциала столбцовой шины, когда используют налив заряда и слив заряда через входную диффузионную область и область под входным затвором зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, дополняют для каждой строки кадра циклом привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считыванием заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а полученные значения вычитают из значений заряда, считанных с открытым ключом выборки.

Кроме того, перед вычитанием из значения заряда, считанного с открытым ключом выборки, для каждой строки кадра дополнительно проводят К циклов привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а вычитаемое вычисляют как среднее арифметическое от К+1 полученных значений. Такое усреднение повышает точность определения вычитаемого паразитного заряда и уменьшает шум результата. Значение К может быть в диапазоне от 1 до 100000, хотя для большинства применений, на наш взгляд, достаточно выбирать К в диапазоне от 1 до 3, т.к. уже при К=3 шум вычитаемого становится существенно меньше шума уменьшаемого и далее при увеличении К шум результата вычитания спадает слабо.

Значения n и m могут быть в диапазоне от 1 до 1000000. Для увеличения быстродействия обычно считывание сигнального заряда проводят параллельно (одновременно) для элементов одной строки. Время между двумя считываниями заряда (с открытым и закрытым ключом выборки) определяет период наибольшей частоты в спектре подавляемых предлагаемым способом частотных составляющих шума. Применяя предлагаемый способ, надо иметь в виду, что повторные считывания заряда на каждой строке кратно (в К+2 раз) уменьшают максимальную кадровую частоту всего устройства.

Способ был реализован для матричного, 128×128, ПЗИ-фотоприемника на основе арсенида индия n-типа. Часть устройства считывания (ПЗС-усилитель) выполнена на кремниевой подложке по n-канальной технологии и присоединена с помощью 16384-х индиевых микростолбиков к матричному ПЗИ-фотоприемнику. Другая часть, содержащая многофазный генератор управляющих импульсов, ключ запирания импульса управления ключом привязки, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) размером 1×128 слов, вычитающее устройство, сумматор, делитель, выполнена на стандартных микросхемах. Эпюры управляющих напряжений многофазного генератора были настроены таким образом, что в каждой строке заряд считывался и выводился два раза подряд. Один раз - с подачей импульса, открывающего ключ выборки, с выхода ПЗС-усилителя, считывался сигнал, пропорциональный сумме паразитного и сигнального заряда, и подавался на вход АЦП, затем запоминался в ОЗУ, второй раз, без импульса, открывающего ключ выборки, считывался сигнал, пропорциональный паразитному заряду, и подавался на вход АЦП, затем - с выхода АЦП на вход вычитающего устройства, которое вычитало из числа, хранящегося в ОЗУ, число на выходе АЦП. Так удалось вычесть влияние паразитного заряда и уменьшить шум.

На ПЗИ-фотоприемник с помощью инфракрасного объектива фокусировалось изображение сцены. Совокупность, массив, сигналов со всех элементов (пикселей) матричного ПЗИ-фотоприемника, полученных одновременно или последовательно во времени, образует кадр. Для каждого элемента кадра можно записать t(n-1)<t(n)<t(n+1), где n - номер кадра, t - момент времени получения сигнала. Кроме того, t_max(n)<t_min(n+1), t_min - момент времени считыввния первого (во времени) элемента кадра, t_max - момент времени считывания последнего (во времени) элемента кадра. В общем случае, размер кадра может не совпадать с размером фотоприемника. Последовательность кадров во времени можно рассматривать как фильм.

Результат применения способа можно проиллюстрировать двумя изображениями (кадрами), полученными с помощью матричного, 128х128 пикселей, ПЗИ-фотоприемника на основе InAs. Исходное изображение, фиг.1, получено без применения предлагаемого способа. На нем изображена термограмма фрагмента книжного шкафа. Видны помехи в виде вертикальных (параллельных столбцовым шинам!) полос (для примера, две полосы показаны на фигуре черными стрелками). На фиг.2 приведено изображение, полученное по предлагаемому способу. Видно, что помехи в виде вертикальных полос существенным образом подавлены.

Применение способа по п.2 со значением К=1 позволило уменьшить СКО-шума еще на 15%.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет существенным образом подавить низкочастотные (с частотами ниже строчной) составляющие шума и улучшить качество получаемого с помощью матричного ПЗИ-фотоприемника изображения.

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при реализации фотоприемных устройств различных спектральных диапазонов. Сущность изобретения: способ считывания сигнального заряда с матричного прибора зарядовой инжекции ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, заключается в получении массива сигналов с элементов кадра, когда сигнальный заряд каждого элемента инжектируют через свой открытый ключ выборки и столбцовую шину во входную диффузионную область зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью. Проводят предварительный цикл привязки потенциала затвора элемента и потенциала столбцовой шины, когда используют налив заряда и слив заряда через входную диффузионную область и область под входным затвором зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью. Для каждой строки кадра дополнительно проводят цикл привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а полученные значения вычитают из значений заряда, считанных с открытым ключом выборки. Способ позволяет улучшить качество изображения за счет снижения уровня шумов с частотами ниже строковой при считывании сигнала с матричного ПЗИ-фотоприемника. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ считывания сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, заключающийся в получении массива сигналов с элементов, кадра, причем сигнальный заряд каждого элемента инжектируют через свой открытый ключ выборки и столбцовую шину во входную диффузионную область зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, с предварительным циклом привязки потенциала затвора элемента и потенциала столбцовой шины, когда используют налив заряда и слив заряда через входную диффузионную область и область под входным затвором зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, отличающийся тем, что для каждой строки кадра дополнительно проводят цикл привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а полученные значения вычитают из значений заряда, считанных с открытым ключом выборки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед вычитанием из значения заряда, считанного с открытым ключом выборки, для каждой строки кадра дополнительно проводят К циклов привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а вычитаемое вычисляют как среднее арифметическое от К+1 полученных значений.