Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ. Газоразрядные сенсоры

10.1.4. Восприятие цветных изображений

Чтобы матрица воспринимала цветные изображения, структура каждого ее элемента (" пикселя ") должна быть значительно более сложной. Как известно, человек воспринимает мир разноцветным потому, что имеет в сетчатке глаза 3 разновидности световых рецепторов – "колбочек" – с разной спектральной чувствительностью. Одни из них особенно чувствительны к красному, другие – к желто-зеленому, третьи – к синему свету. И любой из миллионов различаемых человеком цветовых оттенков составляется из комбинации восприятий этих трёх цветов. Разработчики цветных светочувствительных матриц использовали это "изобретение" живой природы.

На рис. 10.4, а показаны три "пакетика", состоящих из фотодиода и соответствующего цветного светофильтра. Благодаря светофильтрам, один из фотодиодов становится чувствительным только к красному, второй – к желто-зеленому, третий – к синему свету. Из таких "пакетиков" составляется матрица, показанная на рис. 10.4, б. Каждый пиксель такой матрицы состоит из 4 светочувствительных элементов трех типов, как показано на рис. 10.4, в. Один из них чувствителен к красному свету, два – к желто-зеленому, один – к синему.

Рис. 10.4. Объяснение конструкции цветной светочувствительной матрицы

Типичная электрическая схема одного пикселя матрицы показана на рис. 10.5. Аноды всех 4-х фотодиодов соединены с выводом 2. Катоды двух "зеленых" фотодиодов соединены с затвором чувствительного транзистора Т₁, катод "красного" фотодиода – с затвором чувствительного транзистора Т₂, катод "синего" фотодиода – с затвором чувствительного транзистора Т₃. МДП транзисторы Т₄, Т₅, Т₆, затворы которых соединены с выводами 3, 4 и 5, являются ключами, позволяющими поочередно считывать информацию с ячеек разного цвета. Они управляются сигналами от коммутатора цвета. Фототоки с их стоков стекаются к истоку МДП транзистора Т₇. Он управляется от коммутатора столбцов и является ключевым транзистором, который позволяет организовать считывание информации с данного пикселя лишь тогда, когда к нему доходит очередь. Таким образом, типичный пиксель цветной светочувствительной КМДП матрицы состоит из 4 фотодиодов, 4 цветных светофильтров и 7 транзисторов.

Рис. 10.5. Электрическая схема одного пикселя цветной светочувствительной матрицы

Фотодиоды и МДП транзисторы вместе с системой соединительных проводников, коммутаторами и усилителем выходного сигнала формируют на одной пластине кремния. Пленка с набором цветных светофильтров накладывается сверху [ [ 11 ] , [ 101 ] ].

10.1.5. Примеры цветных фоточувствительных КМДП матриц

На рис. 10.6 показан внешний вид одной из современных мегапиксельных цветных светочувствительных КМДП матриц типа MT9M413C36STC фирмы Micron Technology Inc. Она состоит из 1280x1024 цветных пикселей размером 12x12 мкм каждый. Рабочий размер кадра 15,36 x 12,29 мм. Матрица может работать на тактовой частоте 66 МГц от источника напряжения +3,3 В при температуре внешней среды от –5 C до +60 C. Для повышения быстродействия 1280 строк разбиты на 10 секций, информация с которых считывается параллельно через 10 портов. Тактовый генератор и схемы управления считыванием информации интегрированы на том же кристалле, что и матрица. При частоте считывания 60 кадров/с схема потребляет мощность меньше 150 мВт. Допустима также скорость считывания до 500 кадров/с; потребляемая мощность, правда, возрастает при этом до 500 мВт [http://www.micron.com].

Это, как и умные быстродействующие микрокомпьютеры, является настоящим чудом современных высоких технологий.

Фирма IBM сообщила о сотрудничестве с фирмой Kodak для совместной разработки и выпуска уже 3- и 5-мегапиксельных светочувствительных цветных КМОП матриц на основе технологического КМОП процесса с разрешением 0,18 мкм и с формированием на поверхности кремния медных проводников. Сложный многослойный пакет медных проводников получился приблизительно на треть тоньше, чем при использовании традиционных алюминиевых проводников. Новая технология позволила формировать светочувствительные матрицы с высокой точностью передачи цвета, с незначительными шумами, способные работать и в условиях недостаточной освещенности [http://www.ibm.com/news/ru/ru/2005/07/0708.html].

Рис. 10.6. Вид цветного матричного КМДП фотосенсора типа MT9M413C36STC

Разработчики американской компании Foveon предложили другую интересную технологию изготовления цветных светочувствительных КМДП матриц (http://www.foveon.com/). Она основана на том, что кремний поглощает видимый свет тем сильнее, чем короче длина его волны. Поэтому самый коротковолновый синий свет поглощается уже тонким слоем вблизи поверхности кремния, желто-зеленый проникает несколько глубже, еще глубже проникает красный свет. Разработчики компании Foveon, используя эпитаксиальное наращивание слоёв кремния, разместили кремниевые фотодиоды на трёх уровнях. Самый нижний из них находится на глубине проникновения красного света, средний – на глубине проникновения желто-зеленого, верхний – на глубине проникновения синего света. Разделение света по цвету происходит естественным путем. Благодаря этому отпадает необходимость в применении сложного цветного светофильтра из миллионов элементов, изготовление которого требует до 24 отдельных технологических операций. Это значительно удешевило производство цветных светочувствительных матриц. Заметно уменьшилась также и площадь, которую занимает каждый пиксель на кристалле, благодаря чему повысилась разрешающая способность матрицы.

В содружестве с компанией National Semiconductor фирма Foveon на основе 0,18-микронной КМДП технологии организовала массовое производство Х3 матриц (так названы матрицы только что описанного типа) в двух вариантах. Одна – это 1,3-мегапиксельная Х3 матрица, имеющая такую же разрешающую способность, как нынешние 2-мегапиксельные обычные матрицы, а вторая – 3,5-мегапиксельная Х3 матрица для особо высококачественной и поэтому дорогой видеотехники.

10.1.6. Матрицы из приборов с зарядовой связью

В течение двух предыдущих десятилетий, когда не было еще такого прогресса КМДП технологии, широко использовались светочувствительные линейки и матрицы на основе так называемых " приборов с зарядовой связью " (сокращенно " ПЗС "). Структура таких светочувствительных элементов показана на рис. 10.7. Каждый из них представляет собой конденсатор со структурой "металл–окисел–полупроводник". Если на металлические электроды 1, 4, 7 и т.д. подать положительное напряжение относительно основы из кремния и осветить соответствующие области, то в кремнии будут возникать свободные носители заряда – электроны и "дырки". Последние под действием электрического поля будут отталкиваться от положительно заряженных электродов, а электроны будут притягиваться к ним. Поэтому под электродами накапливается отрицательный электрический заряд – тем больший, чем больше экспозиция падающего света. Под электродами, на которых нет напряжения, заряд не накапливается.

Рис. 10.7. Структура линейки (матрицы) ПЗС и объяснение принципа их действия

Как оказалось, накопленный электрический заряд можно перемещать между электродами. Если, например, подать положительное напряжение на электроды 2, 5, 8, ... , одновременно снимая его с электродов 1, 4, 7, ... , то под действием электрического поля отрицательный заряд из-под электрода 1 переместится под электрод 2. Заряд из-под электрода 4 переместится под электрод 5, из-под электрода 7 – под электрод 8 и т.д. В следующем такте подают положительное напряжение на электроды 3, 6, 9, ... , одновременно снимая его с электродов 2, 5, 8, ... Электрические заряды перемещаются под электроды 3, 6, 9, ... Цикл работы такой светочувствительной ПЗС структуры состоит из трех фаз, благодаря которым накопленный заряд можно перемещать вдоль линейки в обоих направлениях и в конце концов считывать полученный видеосигнал. Один пиксель черно-белого изображения состоит здесь из трех ПЗС. Кстати, электроды 1, 2, 3, ... могут быть не обязательно из металла, а, например, из легированного поликристаллического кремния. "Распознавание" цветов в ПЗС сенсорах достигается, как и КМДП матрицах, за счет использования цветных светофильтров. ПЗС сенсоры, благодаря своей простой элегантной структуре и хорошо отработанной технологии изготовления до сих пор удерживают еще свои позиции на рынке видеосенсоров. Дешевизна светочувствительных ПЗС матриц сделала возможным еще один вариант получения цветного изображения. В этом варианте используется сразу 3 ПЗС матрицы, на каждую из которых проецируется то же самое изображение, но через свой цветной светофильтр. Особенно часто этот вариант применяют в массовых камерах видеонаблюдения, о которых будет идти речь в следующей лекции. Однако высшие достижения сместились уже в пользу КМДП сенсоров.