Лекция 5: Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах

Новое поколение фоточувствительных КМДП матриц

Освоение наноэлектронной технологии КМДП транзисторов позволило существенно улучшить характеристики фоточувствительных КМДП матриц, ставших уже одной из основных опор современной информатики, поскольку именно они позволяют получать огромные объемы визуальной информации об окружающем мире. Именно благодаря им мы видим теперь недоступные нам ранее изображения глубин мирового океана и отдаленных на миллиарды световых лет уголков вселенной, сюжеты неожиданных событий, зафиксированных случайными свидетелями с помощью карманных видеокамер или мобильных телефонов с видеокамерами.

Схемы фоточувствительной ячейки

В 90-х годах ХХ в. основой таких матриц была фоточувствительная ячейка, схема которой показана на рис. 5.11 слева. Она состоит из кремниевого МДП транзистора (Т) и фотодиода (ФД). Перед началом работы анод фотодиода подключают к источнику напряжения , и конденсатор, образованный затвором и основой из кремния с тонким слоем подзатворного диэлектрика между ними, заряжается до этого напряжения.

Рис. 5.11. Принципиальные электрические схемы фоточувствительной ячейки КМДП матрицы: слева – на этапе микроэлектронной, справа – на этапе наноэлектронной технологии

Когда анод фотодиода переключают на "землю", фотодиод запирается, электрический ток сквозь него не течет, и электрический заряд, накопленный на конденсаторе, может при условии отсутствия света сохраняться очень долго. Если же фотодиод осветить, то в нем появляется фототок, который переносит часть электрического заряда из конденсатора на "землю". Чем больше световая "экспозиция", т.е. произведение светового потока на время освещения, тем большая часть начального электрического заряда стекает, и тем меньше становится потенциал затвора. После окончания освещения фотодиода полученную им экспозицию можно определить, подавая на исток МДП транзистора положительный импульс напряжения. Величина электрического тока (), вытекающего из стока, зависит от потенциала затвора и, следовательно, от световой экспозиции фотодиода.

Описанная фоточувствительная ячейка имела не очень высокое отношение сигнал/шум, и поэтому фоточувствительные КМДП матрицы не позволяли получать изображения высокого качества, особенно в условиях низкой освещенности и быстрого изменения изображений.

Значительное уменьшение размеров КМДП транзисторов позволило усовершенствовать схему фоточувствительной ячейки, включив в ее состав усилитель сигналов. Схема наноэлектронной фоточувствительной КМДП ячейки показана на рис. 5.11 справа. В ее состав, кроме фотодиода (ФД), входят 4 транзистора (Т1 – Т4) и тонкопленочный конденсатор ().

Перед считыванием очередного кадра на затвор транзистора Т2 подают короткий подготовительный импульс напряжения (Пд), который открывает этот транзистор, и конденсатор быстро заряжается до напряжения питания U_П. В дальнейшем транзистор Т2 остается закрытым. Пока транзистор Т1 закрыт, заряд конденсатора остается неизменным. Когда же на затвор Т1 подают сигнал экспозиции (Экс), этот транзистор открывается, и заряд с конденсатора получает возможность стекать сквозь открытый транзистор Т1 и освещенный фотодиод ФД на "землю". Величина изменения заряда и, следовательно, изменение потенциала на конденсаторе и на затворе транзистора Т3 пропорциональны интенсивности света (Св), падающего на фотодиод, и продолжительности сигнала экспозиции (Экс). Таким образом, транзистор Т1 и сигнал экспозиции (Экс) выполняют роль сверхбыстродействующего электронного затвора. Они позволяют фиксировать даже 5-наносекундные отрезки быстроменяющегося изображения в моменты времени, точно определенные синхроимпульсами. Транзистор Т3 является встроенным усилителем сигналов, имеющим очень малый собственный шум, а транзистор Т4 выполняет роль быстродействующего электронного ключа, который пропускает усиленный сигнал из фоточувствительной ячейки на вертикальную шину матрицы (ВШ) лишь тогда, когда на его затвор поступает сигнал разрешения через горизонтальную шину (ГШ).

Такие усовершенствованные наноэлектронные фоточувствительные ячейки хорошо работают даже в условиях низкой освещенности, имеют широкий динамический диапазон – свыше 120 дБ. На порядки возросло их быстродействие, и теперь они позволяют считывать весьма динамичные изображения.

Организация фоточувствительной матрицы

Из таких фоточувствительных элементов, которые называют "пикселями", на поверхности кремния формируют многопиксельную матрицу, схема организации которой показана на рис. 5.12. Выводы 1 от затвора транзистора Т4 всех фоточувствительных ячеек (ФЯ – их схема показана на рис. 5.11 справа), которые расположены в одной строке матрицы, соединяются с горизонтальной шиной, подключенной к соответствующему выходу коммутатора строк. Выводы 2 от истока транзистора Т4 всех ФЯ, которые расположены в одном столбце матрицы, соединяются с вертикальной шиной, подключенной к соответствующему входу коммутатора элементов в строке. Выводы питания ( на рис. 5.11 справа) и "земли", сигнала подготовки (Пд) и сигнала экспозиции (Экс) всех фоточувствительных ячеек матрицы подключены к соответствующим шинам на отдельных уровнях межсоединений.

Рис. 5.12. Блок-схема фоточувствительной КМДП матрицы: ФЯ – фоточувствительные ячейки; Ус – усилитель видеосигналов

Функционирует схема так. Перед началом съемки следующего кадра на все ФЯ подается короткий сигнал подготовки (Пд) и конденсаторы С всех ФЯ заряжаются до напряжения питания. На матрицу с помощью оптического объектива проектируют изображение, которое надо воспринять. Затем подается сигнал экспозиции (Экс), во время которого конденсаторы С всех ФЯ разряжаются пропорционально интегральному потоку света, действовавшего на фотодиод за время сигнала экспозиции. Это определяет потенциалы на затворах транзисторов усиления (Т3 на рис. 5.11 справа).

После окончания сигнала экспозиции начинается считывание видеосигнала. Для этого коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на первую горизонтальную шину, а коммутатор элементов в строке пропускает на вход усилителя (Ус) электрический ток сначала с первой вертикальной шины, потом – со второй, третьей и т.д. Этот ток пропорционален световой экспозиции соответственно первой, второй, третьей и т.д. фоточувствительных ячеек (ФЯ) первой строки матрицы. Когда заканчивается считывание видеосигналов с первой строки матрицы, коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на вторую горизонтальную шину матрицы, открывая ключевые транзисторы (Т4 на рис. 5.11 справа) всех фоточувствительных ячеек (ФЯ) второй строки матрицы. Коммутатор элементов в строке поочередно пропускает на вход усилителя (Ус) электрический ток с первой, второй и т.д. вертикальных шин, считывая видеосигналы со всех ФЯ второй строки матрицы. Потом коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на третью горизонтальную шину матрицы и т.д., пока не будут считаны видеосигналы с последней нижней строки матрицы.

На видеовыход фоточувствительной КМДП матрицы могут выдаваться аналоговые сигналы с выхода усилителя (Ус) с добавлением строб-импульсов окончания строк и строб-импульса окончания кадра. Однако наноэлектронная технология позволила формировать на том же кристалле кремния также аналого-цифровой преобразователь и выдавать на выход уже оцифрованные видеосигналы. Часто добавляют также схему автоматического регулирования длительности сигнала экспозиции и коэффициента усиления в усилителе.

Организация цветных фоточувствительных матриц

Для того, чтобы матрица воспринимала цветные изображения, структура каждого ее элемента ("пикселя") должна быть значительно сложнее. 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. Разработчики цветных фоточувствительных матриц использовали это изобретение живой природы. С этой целью на пути прохождения света от оптического объектива к матрице устанавливают светофильтры. На рис. 5.13.а показаны три "пакетика", состоящие из фоточувствительной ячейки (снизу) и соответствующего цветного светофильтра (сверху). Благодаря светофильтру одна из ячеек становится чувствительной только к красному, другая – к желто-зеленому, третья – к синему свету.

На рис. 5.13.б показана структура одного из пикселей цветной фоточувствительной матрицы. Пиксель состоит из одной ячейки, чувствительной к красному, одной ячейки, чувствительной к синему, и из двух ячеек, чувствительных к желто-зеленому свету.

На рис. 5.13.в показана общая компоновка цветной фоточувствительной матрицы (кроме вынесенного нижнего правого угла).

Показанный на рис. 5.13 вариант кодирования цвета в англоязычных источниках называют "RGGB". В последние годы было доказано, что лучшие результаты можно получить, если одну из ячеек оставить без светофильтра, т.е. сделать чувствительной к белому свету. Такой вариант кодирования называют "RGBW". Ведь и в сетчатке человеческого глаза, кроме упомянутых выше колбочек, присутствуют еще и "палочки", которые воспринимают любой свет, т.е. могут считаться "белыми". Применяют и вариант "RGBЕ" (Е – от англ. emerald – изумрудный).

Рис. 5.13. Конструкция цветной фоточувствительной матрицы: (а) создание фоточувствительных к разным цветам ячеек; (б) структура одного цветного пикселя; (в) общая компоновка матрицы

В некоторых наноэлектронных цветных фоточувствительных КМДП матрицах, кроме цветного светофильтра, над чувствительной областью матрицы устанавливают также пленку с микролинзами: по одной микролинзе на каждый пиксель. Это позволяет, во-первых, повысить чувствительность к световым лучам, распространяющимся под относительно большими углами падения (и, следовательно, лучше "сочетаться" с высокоапертурными и широкоугольными оптическими объективами), и, во-вторых, собирать на фотодиоды свет с большей площади, используя также свет, падающий на пространство между пикселями.

Преимущества наноэлектронных фоточувствительных КМДП матриц

Преимуществом наноэлектронных фоточувствительных КМДП матриц, кроме низкого энергопотребления в статическом режиме, является и возможность объединения в одном кристалле основной фоточувствительной матрицы с широким набором дополнительных схем усиления, обработки, цифровой фильтрации сигналов, преобразования видеоинформации в разные стандарты представления. Блок-схема на рис. 5.12 показывает возможность адресного считывания видеосигнала как из одной отдельной фоточувствительной ячейки, так и из любой группы пикселей. Это допускает возможность использовать одну и ту же матрицу в принципиально разных режимах. Например, в камерах видеонаблюдения автоматический мониторинг можно проводить, используя лишь незначительную группу пикселей, считывая все другие лишь в случае необходимости. Сканирование меньшей группы пикселей позволяет значительно повысить частоту сканирования и наблюдать особенно динамичные быстротечные события.

В наноэлектронных фоточувствительных КМДП матрицах схемы усиления могут быть сформированы в любом звене прохождения сигналов, что позволяет повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Можно регулировать коэффициенты усиления сигналов каждого цвета независимо, что позволяет улучшить балансировку белого цвета или, наоборот, сделать акцент на наблюдении сигналов определенного выделенного цвета, создавая искусственный цветовой контраст.

Типичный диапазон спектральной чувствительности КМДП фотоматриц лежит в интервале от 200 нм (ближний ультрафиолет) до 1100 нм (инфракрасная область). Это позволяет считывать с этих матриц и визуализировать даже картины, обычно невидимые человеческим глазом – изображения в ближнем ультрафиолетовом или в ближнем инфракрасном свете, полученные, например, в темноте (когда отсутствует видимый свет).

Благодаря применению наноэлектронной технологии сейчас промышленно выпускают КМДП матричные фотоприемники уже с 16 миллионами цветных пикселей на кристалле. Размер пикселя из четырех разноцветных фоточувствительных ячеек составляет уже менее 1 мкм, а частота сканирования всех 16 мегапикселей – до 60 кадров/с. Согласитесь, это – настоящее чудо современной техники.

Область применений наноэлектронных КМДП матричных фотоприемников очень широка. Это профессиональные и любительские цифровые видео- и фотокамеры, в том числе встроенные в смартфоны и мобильные телефоны, автоматизированные системы видеонаблюдения (в научных целях, например, за животным и растительным миром в естественных условиях, в т.ч. на дне океана, в целях обеспечения безопасности, с репортажной целью, например, в веб-камерах), системы технического зрения и системы медицинского исследования и т.д. Именно такие наноэлектронные КМДП матричные фотоприемники, установленные на космических станциях, дают нам нынче возможность увидеть другие планеты и самые отдаленные уголки Вселенной.