Способ ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью Советский патент 1986 года по МПК H01L27/04 

.1.

оо :)

со

4

00

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике, в част ности к способам управления приборами с зарядовой связью (ПЗС), и может найти применение в системах тепловидения при селекции движущихся объектов, при вьщелении контуров объ ектов и определении координат точечных объектов, в медицинской диагностической аппаратуре для коммутации с помощью ПЗС ИК-фотоприемников.

Известен способ ввода вольтаичес- кого сигнала, например напряжения фоточувствительного элемента, в ПЗС методом выравнивания потенциалов с помощью последовательной ишкекции (налива) и экстракции (слива)заряда в потенциальной яме ПЗС, В этом способе входное устройство ПЗС формируе заряд О;,,пропорциональный разности мгновенного значения сигнала Q- и

опорного уровня VreJQg S (t) - VhcJ.

Недостаток способа - зависимость заряда Q от пороговых напряжений электродов входного устройства ПЗС, что в многовходовых приборах приводит к геометрическому шуму, ухудшая отношение сигнал-шум и контраст выходного сигнала.

Известен также способ ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью, содержащий полевые электроды истока, затвора, стока и расположенный между электродами затвора и стока разрешающий электрод, заключающийся в выравнивании потенциалов стока и затвора посредством инжекции и экстракции заряда в каждом такте ввода и последующей экстракции информативного заряда из ис- тока в каждом такте ввода.

Данный способ является ближайшим к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Его недостаток заключается в малом отношении сигнал-шум и небольшом контрасте выходного сигнала.

Целью изобретения является повыц ение отношения сигнал-шум и контрас та выходного сигнала,

Поставленная цель достигается тем что в способе ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью, содержащий полевые электроды истока, затвора, стока и расположенный меж. ду электродами затвора и стока разрешающий электрод,заключающемся в выравнивании потенциалов стока и зат

вора посредством инжекции и экстракции заряда и последующей экстракции информативного заряда из истока в каждом такте ввода, электрический сигнал подают непосредственно на электрод истока, а в каждом такте ввода в течение всего интервала времени между экстракцией заряда и экст ракцией информативного заряда на разрешающий электрод подают запирающий импульс напряжения.

Непосредственная подача электрического сигнала на электрод истока устраняет шумы коммутации и обуслов ливает постоянную привязку уровня дна .потенциальной ямы истока к напряжению сигнала V tO, а подаваемый на разрешающий электрод в момент времени t импульс напряжения прекращает слив и изолирует заряд в истоке на время ut; если за это время сигнал изменяется от Vj (Ц) до Vs ( t + At), то из ямы истока выдавливается заряд - Vj (t + + &t) - (t), которьш после снятия импульса на разрешающем электроде вытекает из истока и образует информативный заряд. Этим достигается режим, когда роли опорного и сигнального напряжений играют два значения напряжения сигнала, последовательно взятые с интервалом At, При малых д t

: Qj-V5(t +ut)-Vs(t,) 4Vj(t)

d V5(t,)

at.

dt

причем последнее равенство тем точнее, чем меньше Д t и чем ниже верхняя граничная частота спектра сигнала Vg (J д t 1) ,- поэтому при указанных условиях входное устройство ПЗС приобретает передаточную характеристику дифференцирующего звена Так как такое звено не пропускает низкочастотных (в том числе постоянной) составляющих электрического сигнала, фойовая составляющая на выходе устройства отсутствует и контраст в выходном сигнале повышается. Отношение сигнал-шум повьшается как за счет устранения шумов коммутации, так и за счет включения в систему обработки сигнала операции дифференцирования, необходимой для оптимизации обработки сигнала в отмеченных системах,

На фиг. 1 показано входное устройство ПЗС, реализующего данный способ в плане; на фиг, 2 - то же в . разрезе; на фиг. 3-7 приведены потенциальные диаграммы, соответствукгщие напряжениям на электродах входного устройства ПЗС, показьшающиё пос ледовательность операций в способе; на фиг. 8 показаны временные диаграммы напряжений V , подаваемых на электроды с соответствующими номера-

ми. 1. , : .;

Входное устройство ПЗС содержит на полупроводниковой подложке, например, h -типа (на чертеже не показана) электрод источника I, электрод за:твора 2, разрешаюпр1Й электрод 3, электрод стока 4, затвор регистра 5f затв(ор 6 налива - слив а j диод 7 налива - слива и диффузионную область В совпадааощего с подложкой типа про-; водимости. Непбсредствённо на элект род истока: I подают напряжение V от источника 9 сигнала, условно изо- бршкаемого как источник напряжения и представйякщего, например ИК-фоторезистор. Канал 10 имеет ветвь для налива-слива и ветвь для передачи сформированного заряда из стока в

регистр, содержащий группы фазовых электродов П, 12, 13j боковое ограничение канала осущестштяётся стоп-ди(ффузионной областью 8,

Стрелки на фиг. 1 указывают пути движения з.фядовых пакетов при наливе, сливе и передаче их в регистр, а также при переносе в регистре. Регистр ПЗС, куда передаются из вход-, кого устройства сформированные заря-г довые пакеты, содержит группы фазовых электродов П, 12, 13, обеспечивакяцих перенос зарядов к выходному устройству ПЗС, где они регистрируются.

Каждый цикл формирования заряда начинают с относительно быстрого последовательного повышения (налив) и понижения (спив)потеициада доюда 7 налива-слива при открытом затво- ре 6 налива-слива (на нем низкий уровень потенциала, см фиг. 3). К моменту времени t слив завершают и достигается выравнивание поверхностных потенциалов истока I и затвора 2, т.е. потенциальная яма истока 1 3шголнена дырками до уровня, определяемого постоянным напряжением . на электроде затвофа 2. Уровень дна потенциальной ямы истока 1 определяется напряжением сигнала Vj в течение времени налива - слива (м. фиг, 8/. Это время выбирают столь малым, чтобы сигнал Vj не .успел существенно измениться: Ljypj « К Тогда можно считать, что при наливесливе Vj, - оэ ns t Vj (ti ) и к моменту t в яме истока содержится зарядовый пакет, равный Qy(t) Cu.Vs(t,) , где Л- величина, зависящая от параметров МОП-структуры и не зависящая от Vg, а Си - емкость окисла под электродом истока 1. В следующий за «)ментом времени t момент t +St вытекание заряда из истока 1 прекращают путем подачи на разрещающий электрод 3 импульса напряжения AVj, повышающего под ним поверхностный потенциал (фиг, 4/« Вслед за этим в момент времени t закрывают затвор 6 налива- слива, повыщая под ним поверхностный потенциал и тем самым изолируют сток 4 от диода 7 налива-слива (фиг, 5), Импульс напряжения на разрешающем электроде 3 действует в течение времени Д t вслед за моментом t, а его величину ДУз выбирают достаточно большой для того, чтобы создаваемый барьер не был превьшён уровнем по0верхностного потенциала в истоке 1. В течение времени изоляции Лt происходит изменение дна потенциаль- , ной ямы истока 1 под действием сигнала Vg , вследствие чего изменяется его поверхностный потенциал (фиг.5,6); . Если сигнал нарастает, то повьшается и поверхностный потенциал. В следую щий за моментом времени + At ыо . мент t + Д t +St происходит снятие

0 барьера - прекращают импульс на раз.решакицем электроде 3 (фиг, б). Часть заряда из истока I перетекает в сток 4, образуя сигнальный заряд Q.

Величину перетекшего заряда можно

5 найти, вновь пользуясь условием вьгравнивания поверхностных потенциалов в истоке i и затворе 2, причем как и ранее, считаем, что Vj не успевает из юниться за время Lj9t,(p выравнивания

0 потенциалов: tftj,,p-jf 1, При этом величина заряда, остаищегося в исто.ке, определяется соотношением Qu(ti + At) - (ti/+.At) - Vj-ДЗ, a перетекшего заряда - соотношением

5

QS Qu(t-) + At) - ,) - CuLVs( t -f At ) - Vj (t,) - Cii U.Vs . Отсюда видно, чтов стоке 4 образуется заряд Qj, пропорциональный приращению сигнала ДУ5 за время ut , а при малых, пропорциональный производной сигнала . Этот заряд с помощью затвора регистра 5 передают из стока 4 в регистр, понижая потенциал на электроде (фиг, 7), причем начало перетекания заряда из стока 4 в регистр может совпадать с началом перетекания загряда из истока 1 в сток 4, После передачи заряда QS регистр последний вновь изолируют, восстанавливая потенциал на затворе регистра 5, и открывают затвор 6 налива - слива, возвращая входное устройство ГВС в исходное состояние к моменту времени Тц (окончание цикла). Требуемая передаточная характерис тика получена благодаря тому, что вы равнивание пове)рхностных потенциалов истока 1 и затвора 2 происходит дважды за цикл ввода: в начале цикла - при уровне сигнала Vg (t.,) и . .в конце цикла - прл уровне сигнала Vj (t +Д t). Дпительность цикла . складывается из интерваловТ51,|п, fgy и времени изоляции Л t., Для правильного использования способа ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью необходи мо, чтобы величина импульса д V выбиралась по стандартным формулам для обедненной МОП-структуры. Необходимо также, чтобы основное изменение сигнала приходилось на время t&.t, т.е. типичны tg.yp -1-3 МКС это приводит к оценке верхней граничной частоты сигна- лов, которые будут правильно дифференцироваться, j Ю 10 Гц. Наконец, наилучшие характеристики способ имеет при вводе субтепловых сигналов , когда Д Vs « г - 25 мВ (при Т 300 К), поскольку при этом линейно передаются как положительны (подъемы дна потенциальной ямы истока 1), так и отрицательные (спуска- ;ние дна) приращения сигнала. Указанные условия - правильный выбор uVg, J 10 Гц, Vg 10 мВ (при т 300 К) наиболее благоприятны для применения данного способа, так как передаточная характеристика совпадает при этом с тактовой для дифференцирующего звена. Применение способа ввода, обеспечивающего дифференцирование входного сигнала, повьшает отнощение сигнал/ /шум, так как операция дифференцирования обусловливает реализацию оптимальной обработки сигнапа при определении контуров (или координат) объектов, .вьзделения движущихся объектов, определение времени прихода импульсного сигнала; благодаря устранению шумов коммутации дополнительно повышается отношение сигнал/шум. Контраст в выходном сигнале повышается благодаря фильтрации постоянной составляющей общей для всех каналов (фона), что особенно важно для систем ИК-диапазона. Дополнительными преимуществами данного способа являются: фильтрация шумов типа 1/f, присущих большинству фотоприемников, служащих источниками входного сигнала Vg; повышение однородности в многовходовых структурах - даже если в силу технологических причин фотоприемни- ки различны по уровню постоянной составляющей сигнала, то это не скажется на выходном сигнале, так как на выход входного устройства ПЗС пот счюянная составляющая входного сигнала не передается. По сравнению с принятым за базовый образец коммутатором типа КАС, выигрыш в величине шума может составить согласно оценке 0,5 мВ/20 мВ 25 раз, а в контрасте 250 раз.

.T.T. r .r

%©9

г/г.2

-012

10

.0/f

«7

6 7 19

1

-0 /3

4ifZ

СПОСОБ ВВОДА ЭЖКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий полевые электроды истока. затвора, стока и расположенный между электродами затвора и стока разрешающий электрод, заключающийся в вьфав- кивании потенциалов стока и затвора посредством инжекции и экстракции заряда и последующей экстракции информативного заряда из истока в каждом такте ввода, отличающийся тем, что, с целью повьшения отношения сигнал-тпум и контраста выходного сигнала, электрический сигнал вводят непосредственно на электрод истока, а в каждом такте ввода в течение всего интервала времени между экстракцией заряда и экстракцией информативного заряда на разрешающий электрод пода(Л ют запирающий импульс напряжения.

r .TM f .f r

Налив

/(TTTTXT TT /

X

d 7

шт

п| .,-

Ми iwey лг-иЛ

--vl

M i-ii fi

ffavo/o изоляции p : ucmofta