Полупроводниковый преобразователь Советский патент 1980 года по МПК H01L27/14 G06K9/00 

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

1

Изобретение относится к области безвакуг умных фотоэлектрических сканируемых устройств.

Известно, что передача информации об изображении в форме значений составляющих пространственно-частотного спектра изображения, а не в форме видеосигнала, во многих отношениях оказывается предпочтительной.

Известны как оптические, так и оптоэлектронные методы разложения функций по полному ортогональному базису напри- ю мер, построенному на основе базисаУолшаАдамара 1.

Вместе с тем известны полупроводниковые преобразователи энергии светового излучения в электрический сигнал, содержа- 15 щие по крайней мере одну линейку фотоприемных элементов с контактами и общей шиной линейки ключевых элементов, поэлементно подключенные к контактам фотоприемных элементов, генераторы селектор- о ных и тактовых импульсов, источник питания и усилитель считывания 2.

Недостатком таких устройств является ограниченная пороговая чувствительность.

При растровом, поэлементно-последовательном опросе, в том числе с использованием накопления энергии на емкости р-п перехода или индуцированного перехода (МОПконденсатора) не удается избежать потерь заряда за время накопления и эффективность накопления всегда существенно меньше 100%.

Другим недостатком является большое время,необходимое для опознания образа. Формирование из видеосигнала пространства признаков, по которым в дальнейшем сможет быть произведена классификация изображений, требует большого времени и большого объема памяти.

Целью изобретения является повышение пороговой чувствительности при одновременном снижении времени опознавания образа.

Эта цель достигается тем, что усилитель считывания выполнен с неинвертирующим и инвертирующим входами и электрически связан с ключевыми элементами, соединенными с контактами фотоприемных элементов, и между генератором тактовых и генератором селекторных импульсов введен блок памяти.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - графики, иллюстрирующие работу устройства в динамике; на фиг. 3 - один из вариантов выполнения устройства в виде одной фотоприемной линейки; на фиг. 4 - разрез фотоприемной линейки.

Предложенный полупроводниковый преобразователь выполнен в виде изолированных друг от друга линеек фотоприемных элементов. Каждый фотоприемный элемент может быть, например, выполнен в виде пары встречно включенных фотодиодов, фототиристоров, в виде фототранзистора, фотосопротивления, пары МОП-фотоконденсаторов и т. п.

На фиг. 1 в качестве примера показан набор линеек из пар встречно включенных диодов, причем глубины залегания р-п переходов и длина волны регистрируемого света подобраны так, что разделение носителей, созданных светом, лицевым и тыльным р-ппереходами одинаково эффективно. Оба диода могут быть расположены и на лицевой грани монокристалла.

На фиг. 1 тыльный фотодиод образован базовой областью 1 и общей шиной 2. Общие щины снабжены контактами 3. Лицевые фотодиоды образованы базовой областью 1 и дискретными лицевыми областями 4. Контакты одноименных элементов всех линеек объединены электрическими шинам 5. Контакты к общим щинам подключены к ключевьгм элементам 6, а контакты одноименных элементов линеек - к ключевым элементам 7. Линейка ключевых элементов 6 поэлементно соединена С выходами генератора селекторных импульсов 8, а линейка ключевых элементов 7 - с генератором селекторных импульсов 9. Общие шины через ключевые элементы 6 связаны либо с положительным 10, либо с отрицательным 11 выходом двуполярного источника питания. Обе части генератора селекторных импульсов электрически связаны с блоком памяти программы работы ключевых элементов 12 и через него с генератором тактовых задающих импульсов 13. Контакты к одноименным элементам линеек 5 через ключевые элементы 7 связаны либо с не-Инвертирующим,либо с инвертирующим входами усилителя считывания 14.

Такое устройство позволяет повысить пороговую чувствительность. Наличие усили теля считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, электрически связанного через ключевые элементы со всеми фотоприемными элементами матрицы одновременно, позволяет каждый такт работы снимать информацию об освещенности всех элементов, а не одного, как Это имеет место при pactpOBOM поэлементно-последовательном опросе. Пространственное кодирование этой информации происходит за счет умножения сигнала с каждого элемента на весовой коэффициент « + 1 или «-1 в соответствии с программой работы ключей, управляемых блоком памяти через посредство генератора селекторных импульсов.

Работу устройства в целом синхронизует генератор тактовых импульсов. При этом весовой коэффициент «+1 создается на элементах одним из двух способов: либо за счет подачи положительного напряжения питания и связи данного элемента с неинo вертирующим входом усилителя, либо за счет подачи отрицательного напряжения питания и связи данного элемента с инвертирующим входом усилителя. Соответственно весовой коэффициент «-1 создается на

элементах одним из двух других способов: либо за счет подачи отрицательного напряжения питания и связи с неинвертирующим входом усилителя, либо за счет подачи положительного напряжения питания и связи с инвертирующим входом усилителя. Только

таким образом могут быть созданы двумерные маски весовых коэффициентов «-1 и «-fl без использования весового коэффициента «О, т. е. без потери энергии светового излучения. Таким образом, заложена основа для ЮО /о-ного использования светового потока, которое реализуется на приемном конце при декодировании пространственно-частотного спектра изображения.

Одновременно устройство позволяет ускорить процесс опознавания образа. Действительно конструкция преобразователя обеспечивает поступление информации о пространственном распределении освещенности в форме пространственно-частотного спектра изображения. Операции над спектром, в отличии от операций над видеосигналом, позволяют эффективно отфильтровывать неин; формативные составляющие, исключать влияние параллельных переносов, изменения масщтаба, яркости изображений, использовать непосредственно значения простран ственно-частотных составляющих в качестве первичных признаков для проведения разделяющих поверхностей между классами изображений. Таким образом, число тактовработы устройства может быть существенно меньще числа тактов, обеспечивающих поJ элементно-последовательный опрос всей матрицы.

Устройство работает следующим образом. 3 исходный момент времени на матрицу фотоприемных элементов спроецировано регистрируемое линейное распределение освещенности. В блоке памяти хранится програ.мма смены базовых функций анализа, представляющих собой полную ортогональную систему функций.

На первом такте работы устройства

(см. фиг. 2) Т& TI под воздействием импульса тактового генератора 13 первая одноМерная базовая функция поступает одновре- менно в генераторы селекторных импульсов 8 и 9. Пусть матрица фотоприемных элементов выбрана квадратной, т. е. число линеек выбрано равным числу элементов в линейке. При TS Ti ключевые элементы соединяют элементы матрицы с положительным выходом источника питания и с неинверткрующими входами усилителя считывания При TS TI синтезируется маска фоточувствительности Sii, которая приписывает всем элементам весовой коэффициент «+1. В усилителе считывания 14 при этом формируется сигнал пропорциональный интегральной освещенности всей маски. На втором такте работы устройства (Ts Та) на 1-ой и 4-ой линейке фотоприемных элементов - положительное смещение за счет соответствующего напряжения на выходах генератора селекторных импульсов. На 2-й и 3-й линейке - отрицательное. На ключевых элементах, связывающих элементы матрицы с усилителем считывания, сохраняется одномерная функция предыдущего такта. В результате синтезируется маска Si гПоследующие такты работы устройства из блока памяти поступают все возможные сочетания одномерных функций на ключевые элементы 6 и 7. Соответственно синтезируются все маски фоточувствительности Stm- Число масок соответствует числу элементов матрицы. В усилителе формируется полный набор сигналов - коэффициентов при членах разложения изображения в ряд Фурье-Уолща. Следует отметить, что при реализации матрицы фотоприемиых элементов в виде набора линеек полная электрическая изоляция элементов линейки не нужна, Коммутация по строкам не связана с подачей управляющих напряжений, а только с переключениями входов усилителя, что не приводит к возникновению уравнивающих токов. Полная же электрическая изоляция линеек друг от друга необходима. Кроме того, следует отметить, что устVj . роиство может быть выполнено и на несимметричных фотоприемных элементах: фоГЧ1 и ЛТПutTLILT V /-Ti/ T/ nrMJCvii iJi-Tv i гглтиглито V fr f тодиодах, фото-р-{-п-структурах, фото-МОПструктурах, фототранзисторах. В этом случае один выход источника питания заземляется и за один такт работы устройства синтезируется маска фоточувствительности, модулирующая лишь половину изображения. Вторая половина изображения при этом не регистрируется. На втором такте работы устройства заземляется другой выход источника питания, и знак незаземленного выхода меняется на обратный. Новая группа очувствленных элементов с весами «-f 1 и «- 1 дополняет ранее полученную маску до полной. Таким образом, при использовании несимметричных фотоприемных элементов в 2 раза удлиняется процесс формирования коэффициентов и теряется половина энергии светового излучения, но существенно упрощается структура фотоприемРЮЙ матрицы. Устройство может быть выполнено и в виде одной фотоприемной линейки. В этом случае удобно выполнить линейки ключевых элементов, генераторы селекторных импульсов и собственно фотоприемники на единой полупроводниковой подложке 15 (фиг. 3) в виде единой большой интегральной схемы. Линейка имеет общую шину 16, дискретные участки 17, контакт 18 к общей щине и контакть 19 к дискретным участкам. На той же общей подложке 15 размещена линейка ключевых элементов. Каждый ключ переключает фотоприемный элемент в два положения: либо на неинвертирующий, либо на инвертирующий вход усилителя считывания. Для упрощения топологии линейка ключевых элементов выполнена гто обе стороны от линейки фотоприемных элементов, и соответственно имеет две- общих шины 20 и 21, две группы дискретных участков 22 и 23, контакты 24 и 25 к общим щинам. Аналогично генераторы селекторных импульсов имеют общие щины 26 и 27, дискретные участки 28 и 29J контакты 30 и 31 к общим шинам. К контактам 30 и 31 подсоединены выходы блока памяти 32, включенного последовательно с генератором тактовых импульсов 33. Контакт 18 к общей шине линейки фотоприемных элементов заземлен, а контакты 24 и 25 соединены, соответственно, с неинвертирующим 34 и инвертирующим 35 входами усилителя считывания 36. В случае использования р-i-n фотодиодов I -область 37 (фиг. 4) может быть общей для всех элементов. Уже реализована матрица фотоприемных элементов размерностью 32x32, размер элементарной ячейки 620x620 мкм. На исходной пластине п- кремния марки КЭФ-20 изготавливалась диэлектрическая маска; служащая для формирования V-образных канавок на поверхности плас осле окисления рельефной поверх ч/ /маопшл rvcinciDv n. nci nwov, 1 ri ii«i сдчгтгности на нее осаждался слой поликристаллического кремния толщиной 250 мкм. Затем слой монокристалла кремния сошлифовывался до вскрытия разделяющих канавок. Таким образом, обеспечивалась электрическая изоляция диэлектриком отдельных линеек фотоприемной матрицы. После этого на изолированных участках монокристаллического кремния создавались дискретные участки р-кремния методом осаждения из газовой фазы в окна диэлектрической маски. Полученные диоды имеют следующие параметры: интегральная чувствительность 7,2 мА/лм; плотность темпового токи 1-2.10 А/мм2 при п 10 В; область спектральной чувствительности 0,5-1,0 мкм, дельная емкость 30 пФ/мм. Качество диэлектрической изоляции быо таково, что токи утечки между элемек710 А) тами (1U ) не ограничивали пороговой чувствительности приббра. Использование этой матрицы в режиме интегрального опроса позволило реализовать накопление светового потока, близкое к 100%. Важньш обсто:ятельством является реализация чрезвычайно низких темновых токов фотодиодов , KOTopbie в режиме интегрального опроса суммируются по всей матрице. Формула изобретения Полупроводниковый преобразователь энергии светового излучения в электрический сигнал, содержащий по крайней мере одну линейку фотоприемных элементов с контактами и общей шиной, линейки ключевых элементов, поэлементно подключенные к контактам фотоприемных элементов, генерато744790рыселекторных и тактовых импульсов, источник питания и усилитель считывания, отличающийся тем, что, с Целью повыщения пороговой чувствительности при одновременном снижении времен опознавания образа, усилитель считывания выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами и электрически связан с ключевыми элементами, соединенными с контактами фотоприемных элементов, и между генерато-ром тактовых импульсов и генераторами селекторных импульсов введен блок памяти. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Oliver С. 3. «Optical image procesing ву miltiplec coding -appl Opt, 1976, V, 15, № 1, p. 93-106. 2.Pfleiderer H. «All soliol state.irnagers Laser-75, Opto-Electron Gout, Proc Munich, 1975, Guild ford, , p. 82--87 (прототип).

ff1f,,.A

N-l -Гт

9

v

ЯП

-«о

CO

I

; йаКей# ; з-.г::гг е гьта В й&Кйн;ч 1- -.