УСТРОЙСТВО ВВОДА СИГНАЛА НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ Советский патент 1995 года по МПК H01L27/148 

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

Известно мультиплексорное устройство ввода на приборах с зарядовой связью, содержащее ПЗС регистр считывания и линейку входных устройств, при этом ячейка входного устройства содержит "плавающую" диффузионную область, входную диффузионную область, два входных затвора, три МДП-транзистора и две разделительные емкости.

Сигнал с фотодатчика подается на первый МДП-транзистор, который соединен последовательно с вторым транзистором усилителя. С выхода этого усилителя через разделительную емкость сигнал подается на первый входной затвор. Уровень смещения на первый входной затвор подается через третий МДП-транзистор, соединенный истоком с первым входным затвором, а стоком с постоянным источником напряжения. Благодаря емкостной развязке между выходом усилителя и первым входным затвором, на первый входной затвор проходит лишь перемешенная часть информационного сигнала (без фоновой составляющей).

Недостатком такого мультиплексорного устройства-ввода является то, что имея сложную конструкцию, информационный сигнал на выходе ПЗС-регистра считывания показывает лишь контрастные контуры и не несет информации о яркостных характеристиках изображениях, что ограничивает применение таких устройств ввода оптической информации.

Известно также устройство ввода сигнала на приборах с зарядовой связью, содержащее полупроводниковую подложку с входной диффузионной областью противоположного подложке типа проводимости, слой диэлектрика и расположенные поверх него первый и второй входные затворы и затвор переноса.

Данное устройство является ближайшим к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Его недостаток заключается в малой чувствительности, поскольку сигнальный заряд содержит на (99-99,9%) неинформационные компоненты, связанные с "темновыми" токами фотодатчиков.

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства ввода сигналов на приборах зарядовой связью.

Поставленная цель достигается тем, что устройство ввода сигнала на приборах с зарядовой связью, содержащее полупроводниковую подложку с входной диффузионной областью противоположного подложке типа проводимости, слой диэлектрика и расположенные поверх него первый и второй входные затворы и затвор переноса, дополнительно содержит стоковую и истоковую диффузионные области с противоположным подложке типом проводимости и пять затворов, причем первый и второй затворы зарядно связаны между собой с вторым входным затвором и затвором переноса, третий затвор зарядно связан с вторым затвором и электрически с первым затвором и истоковой диффузионной областью, которая отделена от стоковой диффузионной области четвертым затвором, зарядно связанным с источником диффузионной областью, а пятый затвор зарядно связан с вторым входным затвором и стоковой диффузионной областью.

На фиг.1 приведен топологический чертеж предлагаемого устройства ввода; на фиг.2 сечение А-А; на фиг.3 сечение Б-Б.

Устройство содержит входную диффузионную область 1, первый входной затвор 2, второй входной затвор 3, первый затвор 4, второй затвор 5, третий затвор 6, истоковую диффузионную область 7, четвертый затвор 8, стоковую диффузионную область 9, пятый затвор 10, затвор переноса 11, Ф₁ Ф₂ Ф₃ электроды ПЗС регистра считывания, диэлектрический слой 12, подложку 13.

Входная диффузионная область 1 зарядно связана с входными затворами 2, 3, затворами 4, 5, 6 и затвором переноса 11.

Третий затвор 6 электрически связан с затвором 4 и истоковой диффузионной областью 7, которая затвором 8 электрически изолирована от стоковой диффузионной области 9, при этом диффузионная область 7 и затвор 8 зарядно связаны. Затвор 10 зарядно связан входным затвором 3 и стоковой диффузионной областью 9.

Устройство работает следующим образом.

В начале цикла необходимо записать и запомнить уровень "темнового" тока, уровень фонового излучения фотодатчика, подсоединяемого к входной диффузионной области 1. Для этого на электрод 10 подается отпирающий импульс. Заряд неосновных носителей, находящийся под входным затвором, 3 экстрагируется в стоковую диффузионную область 9, на которую подано напряжение смешения U_см. Одновременно подается отпирающий импульс на затвор 8. При этом на истоковой диффузионной области 7 и электрически связанных с ней затворах 4, 6 устанавливается напряжение U_см. После окончания отпирающих импульсов на затворах 10,8 под входным затвором 3 отсутствуют неосновные носители, а истоковая диффузионная область 7 и затворы 4, 6 оказываются "плавающими", то есть изолированными от внешних источников напряжения. Поверхностный потенциал на истоковой диффузионной области 7 ниже, чем поверхностный потенциал под затворами 4, 6 на величину порогового напряжения U_пор.

Заряд, поступающий из фотодатчика через входной затвор 2 под входной затвор 3 через "плавающие" затворы 4 и 6 и затвор 5, начинает поступать в "плавающую" истоковую диффузионную область 7, соответственно, уменьшая установленные на ней и затворах 4 и 6 напряжения. Важно, чтобы поверхностный потенциал под затвором 5 был ниже, чем поверхностный потенциал под затворами 4, 6, что достигается выбором напряжения, подаваемого на затвор 5.

По мере уменьшения напряжения на "плавающем" затворе 4 увеличивается зарядная емкость входного затвора 3, определяемая выражением С₃(V₃-V₄), с увеличением информационной емкости входного затвора уменьшается количество заряда, ответвляющегося через "плавающий" затвор в истоковую диффузионную область 7.

С подачей отпирающего импульса на затвор 10 заряд из-под входного затвора 3 вытягивается в стоковую диффузионную область 9. Время между отпирающими импульсами на затворе 10 определяет длительность ввода опорного заряда в устройство ввода. С окончанием отпирающего импульса на затворе 10 начинается новый цикл записи опорного заряда. После нескольких циклов записи опорного заряда емкость входного затвора 3 становится достаточной, чтобы поместить весь заряд, текущий через фотодатчик за время между отпирающими импульсами, подаваемыми на затвор 10.

Уровень напряжения на "плавающей" диффузионной области 7 и электрически связанных с ней "плавающих" затворах 4, 6 будет нести информацию об уровне опорного ("темнового") тока через фотодатчик. Для перехода в режим накопления сигнального заряда на фотодатчик проецируется оптическое изображение. На затвор переноса подается отпирающий импульс. При увеличении входного тока сначала будет заполняться входной затвор 3 до уровня, определяемого поверхностным потенциалом "плавающего" затвора 4 и связанный с "темновыми" токами фотодатчиков, избыток заряда, пропорциональный освещенности фотодатчика, минуя "плавающую" истоковую диффузионную область 7 по пути, показанному на фиг.1 (сечение А-Б) передается в ПЗС регистр считывания.

Данная конструкция устройства ввода обеспечивается запоминание опорного заряда, связанного с "темновыми" токами каждого фотодатчика, а также уровня фонового излучения. Это позволяет однократно произведя цикл считывания информации с неосвещенного фотодатчика, в дальнейшем производить только информационные циклы считывания. При этом из информационного заряда, вводимого в ПЗС регистр считывания, вычитаются компоненты, связанные с "темновыми" токами фотодатчика, фоновым излучением, что повышает чувствительность устройства. Кроме того, отпадает необходимость иметь высокочастотный модулятор светового потока, и по крайней мере в два раза увеличить время для считывания полезной информации, так как при наличии модулятора светового потока половина времени тратится на считывание с неосвещаемого фотодатчика, не несущего полезной информации. Ввод в ПЗС регистр считывания только полезной части информационного сигнала позволяет значительно увеличить время накопления, для сигналов с малой контрастностью, что также повышает чувствительность, уменьшает требования к шумам и динамическому диапазону ПЗС регистра считывания.

С выхода ПЗС регистра считывания снимается информационный сигнал свободный от компонент связанных с фоновым излучением "темновым" потоком утечки фотодатчиков, что значительно упрощает последующие схемы обработки информации.

УСТРОЙСТВО ВВОДА СИГНАЛА НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащее полупроводниковую подложку с входной диффузной областью противоположного подложке типа проводимости, слой диэлектрика и расположенные поверх него первый и второй входные затворы и затвор переноса, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, устройство дополнительно содержит стоковую и истоковую диффузионные области противоположного подложке типа проводимости и пять затворов, причем первый и второй затворы зарядно связаны между собой, с вторым входным затвором и затвором переноса, третий затвор зарядно связан с вторым затвором и электрически с первым затвором и истоковой диффузионной областью, которая отделена от стоковой диффузионной области четвертым затвором, зарядно связанным с истоковой диффузионной областью, а пятый затвор зарядно связан с вторым входным затвором и стоковой диффузионной областью.