ЛИНЕЙНЫЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ Советский патент 1995 года по МПК H01L27/144 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к устройствам для преобразования оптических изображений в электрические сигналы, и может быть использовано в системах обнаружения, передачи и анализа изображений.

Целью изобретения является повышение чувствительности путем вычитания светового и темнового фонов.

На фиг. 1 приведена электрическая схема предлагаемого прибора; на фиг.2 структурная схема прибора и эпюры потенциальных ям (на фиг.1 и 2 изображена только одна ячейка, из линейной последовательности которых образуется весь прибор); на фиг.3 временные диаграммы напряжений; на фиг.4 штриховкой показан уровень заполнения потенциальных ям; стрелки указывают направление переноса зарядов: t₁, t₂ и т.д. последовательные моменты времени; U напряжения на электродах. Индексы U соответствуют обозначениям на фиг.1 и 2. Напряжения U, не указанные на фиг.3, устанавливают постоянными.

Предлагаемый прибор содержит фотодиод 1, затвор 2 транзистора, нижний затвор 3, верхний затвор 4, сток 5 транзистора, нижний сток 6, нижний плавающий электрод 7, верхний плавающий электрод 8, вывод 9 барьерных электродов, нижний барьерный электрод 10, верхний барьерный электрод 11, исток 12, накопительный электрод 13, суммирующий электрод 14, затвор 15 накопительного электрода, сток 16 накопительного электрода, затвор 17 регистра, электроды 18 выходного регистра, стопорные (разделительные) диффузионные шины 19, слой 20 диэлектрика, полупроводниковая подложка 21. В качестве фоточувствительного элемента здесь для примера взят фотодиод как наиболее типичный вариант. В принципе, вместо него могут быть и другие структурные элементы (фотовольтаические элементы, фотосопротивления, фототранзисторы, фотоконденсаторы и т.п.).

Предлагаемый линейный ФПЗС функционирует следующим образом.

В момент времени t₁ затемняют фотодиоды 1, в этот же момент времени подают отпирающее напряжение на затвор 2 транзистора и нижний затвор 3, а запирающее напряжение на верхний затвор 4. Постоянное напряжение, подаваемое на сток 5 транзистора, поступает через отпертый транзистор на нижний сток 6, на нижний плавающий электрод 7, и на верхний плавающий электрод 8. На вывод 9 подают постоянное напряжение. Это напряжение индуцирует под барьерными электродами 10 и 11 одинаковые по глубине потенциальные ямы. Эти потенциальные ямы определяют потенциал истока 12 и присоединенного к нему фотодиода 1, так как все заряды из фотодиода 1 и истока 12, энергетический уровень которых выше потенциала ямы под электродами 10 и 11, уходят через эти ямы в более глубокие. При отпертом нижнем затворе 3 и запертом верхнем затворе 4 эти заряды после момента времени t₁ уходят в нижний сток 6 через потенциальную яму под нижним затвором 3 и электродом 7.

В момент времени t₂ на затвор 2 транзистора подают запирающее напряжение. Нижний сток 6, электроды 7 и 8 остаются под плавающим потенциалом, который был им задан через сток 5 транзистора. С этого момента через исток 12 и потенциальные ямы электродов темновой ток с фотодиода 1 поступает в более глубокую потенциальную яму под плавающим электродом 7.

В момент времени t₃ на нижний затвор 3 подают запирающее напряжение. Переход темновых зарядов под плавающий электрод 7 прекращается. Промежуток времени от t₂ до t₃ выбирают таким, который в дальнейшем будет устанавливаться для времени накопления заряда, генерируемого светом. Тогда и там темновой заряд Q₁ будет равен накопленному в промежуток времени от t₂ до t₃. Под действием заряда Q_т потенциал плавающих электродов 7 и 8 изменится на величину ΔU_п Q_t/C_п где С_п суммарная скорость плавающих электродов 7 и 8 с соединяющей их шной. Пусть U_пу установочное напряжение на плавающих электродах, тогда после накопления заряда Q_т напряжение на плавающих электродах 7 и 8 станет равным
U_п= U_пу-ΔU_п= U_пу-
В дальнейшем это напряжение будет сохраняться и определять величину потенциального барьера между накопительным электродом 13 и суммирующим электродом 14.

В момент времени t₃ отпирается верхний затвор 4. С этого же момента времени начинается световая экспозиция фотодиодов 1. Излучение, проникающее в фотодиоды 1, генерируют электронно-дырочные пары, которые разделяются на границе p-n-перехода. Заряды, например, электроды переходят к истоку 12 и далее в потенциальную яму накопительного электрода 13.

За промежуток времени от t₃ до t₄, равный промежутку времени от t₂ до t₃, туда перейдет заряд Q Q_c + Q_ф + Q_т, где Q_c сигнальная часть заряда; Q_ф фоновая световая часть заряда; Q_т темновая часть заряда.

Пусть U_ну установочное напряжение на накопительном электроде 13, а U_н.пор. U_п.пор соответственно пороговое напряжение на накопительном электроде 13 и на плавающем электроде 8. Тогда U_н разница между глубиной потенциальной ямы под накопительным электродом 13 и плавающим электродом 8 будет равна
U_н (U_ну U_н.пор) (U_п U_п.пор).

Лишь на такую высоту может заполняться потенциальная яма под накопительным электродом 13, а остальная часть заряда Q будет переходить в потенциальную яму под суммирующим электродом 14. Остающийся в этой потенциальной яму заряд равен
Q_ост C_нU_н, где С_н емкость накопительного электрода на участке данной ячейки. Подстановка из предыдущих формул дает
Q_ост= C_н(U_ну-U_пу)+C_н(U_п.пор-U_н.пор)+ Q_т
Регулировкой напряжений U_ну и U_пу можно добиться того, чтобы сумма двух первых членов равнялась Q_ф или составляла его определенную часть, т.е. был вычтен в нужной мере световой фон. При С_н=С_п, что можно достичь заданием топологических размеров соответствующих элементов схемы, последний член равен Q_т. Это означает, что в потенциальной яме под накопительным электродом остается весь темновой заряд Qт, присущий данной ячейки ФПЗС. При этих условиях под суммирующий электрод 14 перейдет только сигнальная часть заряда Q_с.

В момент времени t₄ подают отпирающее напpяжение на затвор 15, при этом заряды Q_ф + Q_т из-под накопительного электрода 13 уходят на сток 16, на который подают постоянное напряжение. Потенциальная яма под накопительным электродом 13 очищается от зарядов. Для полной очистки в момент времени t₅ на электрод 13 подают запирающее напряжение.

В момент времени t₅ подают отпирающее напряжение на затвор 17 регистра. Заряд Q_c из-под суммирующего электрода 14 переходит под электроды 18 регистра.

В момент времени t₆ восстанавливают напряжение на накопительном электроде и подают запирающее напряжение на затвор 15 и на суммирующий электрод 14. Заряд Q_с полностью вытесняется из-под суммирующего электрода 14.

В момент t₇ подают запирающее напряжение на затвор 17 регистра.

В момент времени t₈ восстанавливают напряжение на суммирующем электроде 14. Устройство проходит к состоянию, с которого начинается формирование очередных зарядов.

Предлагаемое устройство может работать также в режиме суммирования зарядов Q_c под электродом 14. В этом режиме под электроды 18 регистра переводят заряды из потенциальной ямы электрода 14 только после того, как туда поступит заданное число n зарядов Q_c, что сопровождается числом n сбросов зарядов Q_ф + Q_т в сток 16. По существу в этом режиме происходит n-кратное усиление заряда Q_с при таком же вычитании светового и темнового фона.

Таким образом, предлагаемый линейный ПЗС выделяет полезную информацию, при этом вычитает равномерный по ФПЗС световой фон и вычитает темновой фон от каждой его ячейки, что выгодно отличает предлагаемый линейный ФПЗС от известных.

Использование: в системах обнаружения передачи и анализа изображений как в оптическом диапазоне спектральной чувствительности, так и за его пределами. Сущность изобретения: линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью содержит ряд фоточувствительных элементов, входные цепи и выходной регистр, в котором фоточувствительные элементы через входные цепи параллельно присоединены к соответствующим ячейкам выходного регистра. Каждая входная цепь содержит исток, нижний барьерный электрод, нижний затвор, нижний плавающий электрод, нижний сток, и МДП-транзистор, имеющие последовательную зарядовую связь с истоком и согласующее устройство, включающее верхний барьерный электрод, верхний затвор, накопительный электрод, верхний плавающий электрод, суммирующий электрод, затвор регистра, имеющие последовательную зарядовую связь с истоком, а также включает затвор и исток накопительного электрода, имеющие с ним последовательную зарядовую связь. Верхний и нижний барьерные электроды соединены между собой, верхний и нижний плавающие электроды соединены между собой, нижний сток соединен с нижним плавающим электродом и истоком МДП-транзистора, причем все электроды, кроме верхнего и нижнего плавающих электродов, присоединены к одноименным выводным шинам, а фоточувствительные элементы присоединены к истокам. 4 ил.

ЛИНЕЙНЫЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий ряд фоточувствительных элементов, входные цепи и выходной регистр, в котором фоточувствительные элементы через входные цепи параллельно присоединены к соответствующим ячейкам выходного регистра, при этом ряд фоточувствительных элементов выполнен отдельно или интегрально с входными цепями и выходным регистром, отличающийся тем, что, с целью чувствительности путем вычитания светового и темнового фонов, прибор дополнительно содержит согласующее устройство, расположенное между входными цепями и выходным регистром, при этом в каждую входную цепь дополнительно введены исток, нижний барьерный электрод, нижний затвор, нижний плавающий электрод нижний сток и МДП-транзистор, имеющие между собой последовательную зарядную связь, а согласующее устройство включает верхний барьерный электрод, верхний затвор, накопительный электрод, верхний плавающий электрод, суммирующий электрод, затвор регистра, имеющие последовательную зарядовую связь между собой и с истоком, а также затвор и сток накопительного электрода, имеющие между собой последовательную зарядовую связь, причем верхний и нижний барьерные электроды, верхний и нижний плавающие электроды соединены между собой, нижний сток соединен с нижним плавающим электродом и истоком МДП-транзистора и все электроды, кроме верхнего и нижнего плавающих электродов, присоединены к одноименным выходным шинам, а фоточувствительные элементы присоединены к истокам.