ПЗС-камеры среднего инфракрасного диапазона

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет Кафедра оптоэлектроники Курсовая работа ПЗС-камеры среднего инфракрасного диапазона. Часть 2

Работу выполнил Руденко Денис Юрьевич Курс 3, Направление 11 800.62

Радиофизика Научный руководитель к.ф.-м.н., доцент В. В. Галуцкий Нормоконтролер инженер И. А. Прохорова Краснодар 2014

Реферат Курсовая работа 17 с., 2 рис., 4 источников.

Прибор с зарядовой связью, камеры среднего инфракрасного диапазона, инфракрасный диапазон, квантовая эффективность, квантовый выход.

Объектом данной курсовой работы является рассмотрение общих сведений о приборах с зарядовой связью, истории создания, параметров, технологий, применение и характеристики современных ПЗС-камер среднего инфракрасного диапазона.

Цель данной курсовой работы: рассмотреть общие сведения о приборах с зарядовой связью, параметры, историю создания, характеристики современных ПЗС-камер среднего инфракрасного диапазона.

В результате выполнения курсовой работы была изучена литература по созданию, принципу действия, технических характеристиках и применении ПЗС-камер среднего ИК диапазона.

Содержание Обозначения и сокращения Введение

1. Конструктивно-технологические параметры

2. Квантовая эффективность и квантовый выход ПЗС-камеры

3. Область применения ПЗС-камер ИК диапазона

4. Отличительные особенности ПЗС

5. Применение ПЗС Заключение Список использованных источников

Обозначения и сокращения

Введение

В данной курсовой работе я рассмотрю общие сведения о приборах с зарядовой связью, параметры, историю создания, характеристики современных ПЗС-камер среднего инфракрасного диапазона.

В результате выполнения курсовой работы изучил литературу по созданию, принципу действия, технических характеристиках и применении ПЗС-камер среднего ИК диапазона.

1. Конструктивно-технологические параметры камера инфракрасный квантовый температурный Основные параметры ПЗС: амплитуды управляющих импульсов 5−20 В), относит. потери заряда при одном переносе макс. тактовая частота (= 10−100 МГц), макс. и мин. плотности зарядового пакета (50 динамического диапазон (D =20 lg 60−80 дБ), плотность темнового тока Для характеристики ФПЗС кроме перечисленных выше параметров указываются спектральный диапазон (0,4−1,1 мкм), фоточувствительность (= 0,1−0,5 А/Вт), максимальная и минимальная экспозиции разрешающая способность (10−50 линий/мм).

Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность (5—10 мкВт/бит в режиме передачи информации и практически полное отсутствие затрат энергии в режиме хранения), что обусловлено МДП-структурой этих устройств. Простота конфигурации и регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этих приборов может быть очень высоким (у специально сконструированных образцов предельные тактовые частоты лежат в гигагерцевом диапазоне).

Пожалуй, еще более важными являются конструктивно-технологические достоинства ПЗС, основными из которых являются технологическая ясность и простота (малое число фотолитографических, термодиффузионных и эпитаксиальных процессов при изготовлении прибора) — обязательное условие при создании качественных многоэлементных (с числом элементов 104—106) устройств; высокая степень интеграции (превышающая 105 элементов на одном кристалле) и высокая плотность упаковки (более 105 бит/см²); малое количество внешних выводов, что является определяющим при построении высоконадежных систем; отсутствие p-n-переходов (немногочисленные p-n-переходы ПЗС выполняют «подсобные» функции и к ним предъявляются достаточно «слабые» требования), что, в частности, открывает широкие возможности для использования наряду с кремнием других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия).

Размер светочувствительного пикселя матриц составляет от одного-двух до нескольких десятков микрон. Размер же кристаллов галоидного серебра в светочувствительном слое фотопленки колеблется от 0.1 (позитивные эмульсии) до 1 микрона (высокочувствительные негативные). Одним из основных параметров матрицы является, так называемая, квантовая эффективность. Это название отражает эффективность преобразования поглощенных фотонов (квантов) в фотоэлектроны и схоже фотографическому понятию светочувствительности. Поскольку энергия световых квантов зависит от их цвета (длины волны), невозможно однозначно определить сколько электронов родится в пикселе матрицы при поглощении им например потока из ста разнородных фотонов. Поэтому квантовая эффективность обычно дается в паспорте на матрицу как функция от длины волны, и на отдельных участках спектра может достигать 80%. Это гораздо больше, чем у фотоэмульсии или глаза (примерно 1%).

2. Квантовая эффективность и квантовый выход ПЗС-камеры Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла ПЗС. Однако не следует путать понятия квантовая эффективность и квантовый выход. Квантовый выход — это отношение числа фотоэлектронов, образовавшихся в полупроводнике или вблизи его границы в результате фотоэффекта, к числу упавших на этот полупроводник фотонов.

Квантовая эффективность — это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоэлектрона в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку этот коэффициент всегда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода. Особенно велико это различие для приборов с низкоэффективной системой регистрации сигнала. По квантовой эффективности ПЗС не имеют себе равных.

Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2−3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) — до 20%, у ПЗС этот параметр может достигать 95% при типичном значении от 4% (низкокачественные ПЗС, используемые, как правило, в дешёвых видеокамерах «желтой» сборки) до 50% (типичная неотобранная видеокамера западной сборки). Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у ПЗС. Так же ограничен спектральный диапазон у фотокатодов традиционных вакуумных телекамер и фотоэмульсий. ПЗС реагируют на свет с длиной волн от единиц ангстрем (гамма и рентгеновское излучение) до 1100 нм (ИК-излучение). Этот огромный диапазон намного больше спектрального диапазона любого другого детектора, известного к настоящему времени.

3. Область применения ПЗС-камер ИК диапазона ПЗС-камера ИК диапазона может применяется для съёмки объекта в инфракрасном диапазоне (от 730 нм и выше). Как правило, ИК камера служит прибором ночного видения или устройством для определения температурного поля.

В современном мире ИК-камеры получили очень широкое применение. Без них не обходится не одно промышленное предприятие, где нужен контроль за состоянием объектов. В строительстве этот прибор необходим для оценки теплоизоляции. Что касается медицины, то инфракрасная камера применяется в области онкологии, ортопедии, нейрохирургии, травматологии, гастроэнтерологии, эндокринологии, психиатрии, педиатрии.

Нашло устройство своё применение и в военной индустрии. С их помощью координируют боевые действия в тёмное время суток. Энергетика, металлургия, химическая промышленность, машиностроение — всё это области, где активно используется инфракрасная камера. Для восприятия изображений в ИК-области спектра развиваются три направления: легирование кремния примесями (In, Ga, Те и другие) и использование примесного фотоэффекта; разработка ФПЗС на узкозонных полупроводниковых соединениях (например, на In, Sb для диапазона 3−5 мкм); создание гибридных структур, сочетающих фоточувствительную мишень, направленную на кристалле HgCdTe, и кремниевые ПЗС-регистры, обеспечивающие считывание информации, накапливаемой в мишени.

Основное применение ПЗС находят в качестве безвакуумного твердотельного аналога видикона для восприятия и обработки видеоинформации в телевидении, устройствах технического зрения, видеокамерах, электронных фотоаппаратах. Значительно меньше ПЗС используют в цифровой технике в качестве запоминающих устройств, регистров, арифметико-логических устройств и в аналоговой технике в качестве линий задержки, фильтров и тому подобных.

Подробнее остановимся на использовании ПЗС в системах формирования сигналов ИК изображений. Существуют три области для их применения: уплотнение с помощью ПЗС информации, снимаемой с ИК приемника; организация временной задержки и интегрирования снимаемой информации; непосредственная регистрация ИК сигналов с помощью ПЗС, сформированные на полупроводниках с узкой запрещенной зоной.

Входы матрицы ПЗС, используемой для уплотнения информации, через емкостные связи соединяются с выходами приемников ИК излучения (Рисунок 1). В каждом ПЗС-элементе образуется зарядовый пакет, пропорциональный выходному напряжению соответствующего приемника. Затем картина зарядов сканируется (передается) на выход. Применение ПЗС в этом случае позволяет осуществлять уплотнение информации внутри самого дьюара (используемого для охлаждения ИК приемников), что приводит к уменьшению количества выводов из дьюара и к минимизации тепловой нагрузки. С этим методом применения связаны две проблемы: перекрестные помехи между каналами, обусловленные потерями зарядов при переносе, и шумы, возникающие при инжекции в ПЗС зарядов.

При использовании ПЗС для получения временной задержки и интегрирования сигналов каждый ПЗС-элемент соединяется с соответствующим ИК приемником. ИК изображение перемещается относительно матрицы приёмников с некоторой скоростью и каждый элемент изображения последовательно проходит все приемники соответствующего столбца матрицы (Рисунок 2). Перенос зарядовых пакетов вдоль цепочки ПЗС-элементов осуществляется с такой же скоростью. В результате время интегрирования изображения увеличивается в k раз, где k — количество элементов в столбце (равное числу строк в матрице ИК приемников).

1 — ИК приемники; 2 — буферные элементы; 3 — ПЗС Рисунок 1 — Использование ПЗС для уплотнения и передачи на выход информации, снимаемой с ИК приемников

1 — ИК приемники; 2 — буферные элементы; 3 — ПЗС. Направления, а также скорости перемещения ИК изображения (4) и передачи зарядов вдоль ПЗС (5) совпадают.

Рисунок 2 — Использование ПЗС для временной задержки и интегрирования снимаемой с ИК приемников информации Если матрица содержит r таких столбцов, то общее количество соединений между матрицей приемников и ПЗС составляет kr. Надежное изготовление большого числа внутрисхемных соединений является сложной технологической задачей при создании подобных систем.

В третьем варианте, названном ИК ПЗС, сами ПЗС используются для регистрации и формирования сигналов ИК изображений. В этом случае организация матрицы такая же, как в светочувствительных ПЗС. Основные проблемы ИК ПЗС следующие. Для восприятия ИК излучения необходимы узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны которых (определяющая положение максимума поглощения) соответствует окнам атмосферной прозрачности для ИК излучения: 2—2,5; 3,5—4,2; 8—14 мкм. Подходящие материалы имеются среди бинарных и тройных соединений типа АIIIВV, AIIIBVI, AIVBIV, например InAs, InSb и т. д. Технология изготовления МДП-структур на таких материалах пока недостаточно отработана. Создание ИК ПЗС на несобственном полупроводнике также представляет известные трудности.

Вторая проблема связана с высоким уровнем фонового излучения в ИК области спектра и низкой контрастностью ИК изображений. Это приводит к накоплению в потенциальных ямах ПЗС большого паразитного заряда. Низкая контрастность накладывает жесткие требования на допустимую величину неравномерности фоточувствительности (от элемента к элементу), которая не должна превышать нескольких процентов. Такое ограничение обусловливает жесткие требования к технологии, особенно к фотолитографии.

В последнее время определенные успехи достигнуты в технологии МДП-структур на InSb с пленкой оксинитрида кремния в качестве диэлектрика (полученной с помощью осаждения) и нихромовым затвором. Плотность поверхностных состояний в таких структурам составляет 1012 см-2, а время релаксации МДП-емкости достигает 0,1 с при температуре 77 К.

По конструктивно-технологическим характеристикам формирователи ИК сигналов на ПЗС подразделяются на монолитные и гибридные. Монолитные формирователи включают в себя, прежде всего, ИК ПЗС на узкозонных полупроводниках или легированных широкозонных полупроводниках, чувствительных к ИК излучению, а также приборы, содержащие на одном кристалле чувствительную к ИК излучению матрицу на элементах с барьером Шоттки (с внутренней фотоэмиссией) и считывающую схему на ПЗС.

В противоположность монолитным приборам гибридные приборы являются комбинацией ИК приемников различных типов и кремниевого ПЗС, используемого для сдвига информации на выход, а в общем случае и для ее обработки: усиления, суммирования, вычисления корреляционных функций.

Гибридные формирователи, в свою очередь, можно разделить на приборы с прямой инжекцией, в которых фотогенерируемые в ИК приемнике заряды непосредственно вводятся в ПЗС, и на приборы с непрямой инжекцией, в которых между ИК приемником и ПЗС существуют буферные элементы (МДП-транзисторы или усилительные каскады).

В качестве ИК приемников можно использовать фотовольтаические, фоторезистивные и пироэлектрические приемники Применение ПЗС-матриц на сегодняшний день нашло широкое применение: цифровые фотокамеры, видеокамеры; ПЗС-матрица как фотокамеры стало возможным встраивать даже в мобильные телефоны.

4. Отличительные особенности ПЗС Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд очень интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов.

К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относятся возможность хранения, зарядовой информации; возможность направленной передачи зарядов вдоль поверхности полупроводникового кристалла; возможность преобразования светового потока в электрический заряд и последующего его считывания (сканирования).

Осн. отличит, особенностью ПЗС как изделия микроэлектроники является возможность вводить в кристалл и хранить без искажения большие массивы цифровой (в т. ч. многоуровневой) или аналоговой информации, использовать электрические и оптические способы для ввода информации, осуществлять направленное распространение (в т.ч. циркуляцию) информации в кристалле и неразрушающий доступ к ней, проводить как последовательный, так и параллельный принцип обработки информации. От вакуумных приёмников изображений (видиконов) ФПЗС, кроме того, отличается жёстким геом. растром, позволяющим фиксировать координаты элементов разложения и исключить дисторсию и др. искажения растра, долговечностью, меньшей потребляемой мощностью, отсутствием микрофонного эффекта и выгорания под действием сильной засветки, нечувствительностью к магн. и электрич. полям.

5. Применение ПЗС Все эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС.

Для цифровой техники интересны сдвиговые регистры, оперативные запоминающие устройства, логические схемы. Линии задержки аналоговых сигналов на ПЗС по техническим характеристикам значительно превосходят свои акустические и магнитные аналоги.

В оптоэлектронной технике преобразования изображений ПЗС открывают принципиальные новые возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом. ПЗС позволяют одновременно с уменьшением массы, габаритных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и качество формирователей видеосигналов. Дополнительное достоинство фотоприемников на основе ПЗС заключается в принципиальной возможности использовать разнообразные полупроводниковые материалы, что позволит перекрыть широкую область электромагнитного спектра (включая и ИК область).

Заключение

В заключение хотелось бы отметить, что создание устройств на приборах с зарядовой связью среднего ИК-диапазона, в особенности оптоэлектронных, является важным этапом в развитии больших интегральных схем и одним из первых реальных шагов по пути к функциональной микроэлектронике.

Список использованных источников

1. Шилин В. А. Микроэлектроника / под ред. Васенкова А. А. М., Современное радио. 1973.

2. Секен К. Приборы с переносом заряда / Томсет М., Секен К.

3. Носов Ю. Р. Основы физики приборов с зарядовой связью / Шилин В. А., Носов Ю.Р.

4. Пресс Ф. П. Фоточувствительные микросхемы с зарядовой связью // Итоги науки и техники. Электроника. М., 1986.