Розрахунок і оптимізація активного елементу

Рисунок 2.5 – КМОН сенсор з активним піксельом і АЦП на кожен стовбець

Для подолання цього недоліку в КМОН сенсорах АЦП стали розташовувати з розрахунку один АЦП на кожен стовпець і комутацію здійснювати в цифровому вигляді (рис. 2.5). Це дозволило знизити частоту перетворення кожного з АЦП в число разів, рівне числу стовпців в фоточутливій ​​секції, а також у відповідне число разів зменшити смугу частот відеосигналу.

Подальший розвиток пішов по шляху руху до КМОН сенсора з цифровим піксельом (Digital Pixel Sensor, DPS), рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – КМОН сенсор з активним цифровим піксельом

 

Особливістю цих перетворювачів є  інтеграція в кожен піксель не тільки

активного підсилювача  але і безпосередньо АЦП. При  цьому частота перетворення АЦП  стає рівною кадровій частоті фотоприймача, а смуга частот відеосигналу зменшується  до мінімальних значень. В даний час відомі КМОН сенсори з цифровим піксельом розміром 9,8 × 9,8 мкм, при технологією 0,18 мкм, містять в кожному пікселі АЦП, що складається з 37 транзисторів[15].

2.3 Принцип роботи КМОН-ФД НВІС

Фоточутливі КМОН-ФД НВІС містять матрицю активних фоточутливих елементів (активних пікселів), схеми керування, аналогові підсилювачі зчитування на виході кожного стовпця, АЦП і ряд інших цифрових блоків (рис.2.7).

Рисунок 2.7 – Структурна схема КМОН-ФД НВІС

У таких КМОН-ФД матрицях схеми керування  можуть реалізовувати довільну координатну вибірку сигналів, що значно розширює можливості фільтрації та обробки (в тому числі паралельної) сигналів зображення. Задачі виділення вікна інтересу (ВІ), в якому розташована мета, і стеження за нею вирішуються шляхом зчитування сигналів тільки потрібних елементів. А оскільки зазвичай ВІ займає невелику частину кадру, швидкість зчитування, в порівнянні з ФПЗЗ, в яких необхідно зчитувати весь кадр, може бути значно збільшена[16].

Активний  елемент утворений фотодіодом (ФД) та чотирма транзисторами (рис.2.8), які виконують функції зчитування заряду накопиченого фотодіодом (транзистор V1), відновлення вихідного напруги (V2), входу витокового повторювача (V3) і вибірки рядків (V4). Витік транзистора V4 підключений до шини стовпця.

Рисунок 2.8 – Схема активного пікселя

У режимі інтегрування сигналів зображення імпульс R, що подається на транзистор V2, дорівнює нулю. ФД накопичує фотогенеровані електрони, і в міру їхнього нагромадження  потенціал діода зменшується. В  результаті потенціал загального вузла  з'єднання транзисторів V1, V2 і V3 виявляється  плаваючим (плаваючий вузол). У режимі вибірки на транзистор V2 надходить  імпульс відновлення R = 1, V2 відкривається  і потенціал плаваючого вузла  відновлюється до вихідного рівня. Потім на всі активні елементи обраного рядка подається імпульс TG1 = 1, який поступає на затвор транзистора V1, відкриваючи його. Накопичений  фотодіодом сигнальний заряд передається  в плаваючий вузол. Після приходу  імпульсу вибірки рядка RS = 1 відкривається V4. Транзистори V3, V4 і загальний навантажувальний транзистор стовпця (на малюнку не показаний) утворюють витоковий повторювач, і на шину стовпця поступає посилений по потужності сигнал ФД. Коефіцієнт передачі по напрузі витокового повторювача близький до одиниці. На шини стовпців передаються лічені сигнали всіх елементів обраного рядка. Дешифратор стовпців послідовно вибирає сигнали шин і передає їх на схему аналогової обробки сигналів окремих активних елементів матриці. Після закінчення режиму зчитування сигнал RS = 0, і V4 закривається. Починається накопичення зарядів наступного кадру зображення.

Процеси накопичення і зчитування зарядів  ФПЗЗ і КМОН-ФД різні. У ФПЗЗ фоточутлива область займає більшу частина площі активного елемента (в спеціальних структурах - всю його площу). Тому відношення площі фоточутливої області до повної площі елемента, або фактор заповнення (Fill Factor - FF), може досягати 100%. У КМОН-ФД фоточутлива область займає лише частину площі фоточутливого елемента, тоді як решта площі зайнята шинами і КМОН транзисторами. Тому фактор заповнення та фоточутливість КМОН-ФД значно нижче (30-35%), ніж у ФПЗЗ. Для підвищення фоточутливості КМОН-ФД використовуються мікролінзи (технологія, освоєна раніше для ФПЗЗ), які фокусують більшу частину падаючого світла на ФД. При перпендикулярному напрямку падаючого світла це дозволяє підвищити FF до 80%. Однак для світла, що падає під іншими кутами, ефективність застосування мікролінз різко падає, і реальне значення FF становить лише 45-50%.

Інша  причина низької фоточутливості КМОН-ФД - фіксована, неоптимальна структура ФД. Це пов'язано з тим, що стандартна КМОН технологія дозволяє формувати p-n перехід діода на глибині 0,25 мкм. У ФПЗЗ глибина залягання об'ємного каналу більша, і для забезпечення максимального збору фотогенерованих носіїв її можна оптимізувати. Проблема збільшення фоточутливості КМОН-ФД вирішується шляхом виготовлення структур із збільшеною глибиною залягання збідненого шару (так званих "проколених" - pinned - структур), що, однак, вимагає проведення додаткових технологічних операцій.

Як  уже зазначалося, основна перевага КМОН-ФД порівняно з ФПЗЗ - можливість інтеграції на одному кристалі функцій прийому та обробки зображення, тобто реалізації однокристальної камери з цифровим виходом. Правда, в залежності від пропонованих вимог і вартості КМОН-ФД камери можуть бути двох і навіть трьох кристальними, і функції прийому і обробки зображення виконуватися різними КМОН мікросхемами. Інші достоїнства КМОН-ФД - низька споживана потужність, можливість програмування вікон які цікавлять користувача і висока швидкість зчитування даних. Основні недоліки - високий геометричний шум, обумовлений тим, що активний елемент містить кілька МОН транзисторів і кілька шин, низька фоточутливість, більш високий темновий струм, великі розміри активного елементу, менша, ніж у ФПЗЗ, роздільна здатність.

Елемент з фоточутливим затвором. Для усунення шуму процесу відновлення в КМОН-ФД було запропоновано замінити фотодіод фоточутливим затвором, в потенціальній  ямі якого накопичуються фотогенеровані сигнальні заряди (рис.2.9). В режимі зчитування на затвор транзистора V1 подається відпираючий його імпульс відновлення R1, потенціал плаваючого затвору відновлюється до вихідного рівня.

Рисунок 2.9 – Піксель з фоточутливим затвором

Наступний імпульс передачі відкриває додатковий затвор, накопичений сигнальний заряд  перетікає в плаваючий вузол, і потенційна яма фоточутливого  затвора звільняється. Потенціал  вузла знижується на величину заряду. Така схема дозволяє виконувати подвійну кореляційну вибірку (ПКВ), яка практично  і усуває шум процесу відновлення. У цьому випадку після відновлення  плаваючого потенціалу вузла на затвор транзистора V3 подається відкриваючий його імпульс вибірки рядка RS = 1. Початкова напруга на затворі  транзистора V2 (в яку входить і  шум відновлення) через витоковий  повторювач передається на шину стовпця  і запам'ятовується на її виході. При  надходженні на плаваючий вузол сигнального заряду напруга на транзисторі V2 знижується на величину надійшовшого заряду, і ця напруга також передається на вихід шини стовпця. У результаті вихідний сигнал являє собою різницю значень напруги транзистора V2, що і дозволяє усунути шум відновлення. Недолік схеми з фоточутливим затвором - зниження фоточутливості через меншу, в порівнянні  з ФД, прозорість затвору і, відповідно, коефіцієнта заповнення FF.

Елемент з поєднаним управлінням. З метою  зменшення числа транзисторів активного елемента і організації прогресивного процесу зчитування фахівці компаній Kodak та Motorola розробили елемент з поєднаним управлінням. Він містить загальний на два активних елемента відновлюючий транзистор V3 і витоковий повторювач на транзисторах V4 і V5, який послідовно передає на шину стовпця сигнали двох сусідніх ФД (рис.2.10).

Рисунок 2.10 – Електрична схема елементу з суміщеним керуванням

Два додаткових транзистора зв'язку - V1і V2 - виконують  функцію адресації ФД. У режимі інтегрування ФД накопичують сигнальні заряди. При відмиканні транзистора зв'язку V1 сигнал першого ФД передається у спільну для двох фоточутливих елементів дифузійну область і потім через витоковий повторювач - на вихід шини стовпця. Потенціал ФД1 відновлюється, і V1 закривається. Відмикається транзистор V2, і на вихід надходить сигнал ФД2. Таким чином, елемент з сумісним управлінням містить п'ять керуючих транзисторів і два фоточутливих елементи. Така схема використовується в цифровому КМОН-ФД форматом 1280х1024 елементів[17].

2.4 Розрахунок і оптимізація активного елементу

Основний параметр активного  елементу – фактор заповнення FF, що задає фоточутливість КМОН-ФД матриць. Він визначається як:

,

де  - площа фотодіоду,

- повна площа активного  елементу.

Заряд накопичений ФД, залежить від потоку фотонів , площі ФД і часу інтегрування :

 

q – заряд електрона.

Зміна напруги  на плаваючому вузлі залежить від  його сумарної ємності , в яку входять ємність стоку транзистора V1, витоку V2, затвору V3 і міжз’єднань.

.

Час відновлення  потенціалу плаваючого вузла визначається з вирішення звичайного диференційного рівняння, що описує процес заряду ємності плаваючого вузла струмом (при подачі імпульсу К=1) транзистора відновлення V1:

,                                  (2.1)

де E – напруга живлення,

- порогова напруга транзистора,

- зміна потенціалу ФД  в результаті накопичення заряду,

- коефіцієнт впливу підкладки,

- необхідний відносний рівень  відновлення плаваючого вузла,

- крутизна транзистора  V2[18].

Час зчитування сигнальної напруги на шину стовбця залежить від тривалості перехідного процесу в витоковому повторювачі:

,                                      (2.2)

де  - ємність шини стовбця,

 – струм стовбця,

- еквівалентна крутизна  послідовно включених транзисторів  V3 і V4,

- рівень відновлення сигналу  при зчитуванні.

Одна з  найважливіших характеристик фотоприймача, що визначає його роздільну здатність - функція передачі модуляції (ФПМ). З урахуванням дискретності розташування елементів і дифузійного відстані ФПМ може бути виражена як:

,                                (2.3)

де L – довжина фоточутливої області (ФД) активного елементу,

 – напівперіод вхідного  гармонічного просторового сигналу,

- коефіцієнт поглинання фотонів, 

- товщина збідненого  шару,

- дифузійна довжина  електронів,

- ефективна довжина,  що залежить від просторової  частоти.

Розрахунок  залежності ФПМ від відносної  просторової частоти проводився для активного елементу квадратної форми 8х8 мкм, виконаного з проектними нормами 0,5 мкм. Довжина ФД, що визначає апертуру елемента, по вертикалі дорівнює 3,5 мкм, по горизонталі - 7,5 мкм, глибина залягання p-n переходу ФД -1 мкм. Час інтегрування - 100 мс. Так як розміри апертури по горизонталі і вертикалі різні, то і значення ФПМ в цих напрямках будуть різнитися (рис.2.11).

Рисунок 2.11 – Залежність ФПМ по горизонталі і вертикалі

Проблему  максимізації фоточутливості можна  сформулювати у вигляді задачі нелінійного  програмування, для якої FF, або фоточутливість - максимізуєма цільова функція. Параметри  оптимізації – розміри транзисторів, змінні - значення ширини каналів W1, W2 і W3 транзисторів V1, V2 і V3 відповідно. Обмеження  накладаються на значення часу відновлення і зчитування сигналів, на відношенні сигнал / шум, граничний спад ФПМ в горизонтальному і вертикальному напрямках, а також на розміри активного елементу, топологічно пов'язані з геометричними розмірами транзисторів і шин елемента[19].

Топологія активного елементу може бути описана  геометричною моделлю, що зв'язує розміри  активного елементу квадратної форми L_е з шириною каналів транзисторів, розмірами шин і контактних вікон (при заданій проектної нормі l_n). Транзистори мають мінімальну довжину каналів, ширина шин і розміри контактних вікон також мінімальні та визначаються проектною нормою l_n (рис.2.12). У цьому випадку можна сформулювати наступні обмеження на розміри активного елементу L_е і ФД L_v по вертикалі:

Рисунок 2.12 – Топологія КМОН-ФД активного елемента на чотирьох транзисторах

                         (2.4)

 

Додавши до виразу (2.4) рівняння розрахунку значень часу відновлення та зчитування і ФПМ (2.1-2.3), отримаємо повну систему обмежень для задачі нелінійного програмування[20]. Оптимізація для окремого випадку W3 = W4 при проектній нормі I_п = 0,5 мкм і розмірах активного елементу (пікселя) 8х8 мкм і I_п = 0,25 мкм і 5х5 мкм, відповідно, показала, що зі збільшенням значень мінімального рівня ФПМ фактор FF різко знижується (рис.2.13), так як розміри апертури зменшуються.

Рисунок 2.13 – Залежність оптимального FF від заданого ФПМ для активного елемента 8x8мкм, з нс, нс, роздільною здатність лін/мм, еквівалентним шумом 2 мВ

Роздільна здатність R фотоприймача - це максимальна  просторова частота, при  якій ФПМ спадає не нижче заданого рівня. Значення R вимірюється числом пар (світла/темна) ліній на міліметр довжини. Зі збільшенням дозволеної здібності FF знижується, а при заданому дозволі FF збільшується зі зменшенням розміру активних елементів(рис.2.14, 2.15)[21].

Для сучасних систем потрібні швидкодіючі  фотоприймальні НВІС, які містять  понад 10⁶ фоточутливих елементів, з цифровим 8-10 біт виходом і швидкістю виводу більше 300 кадрів / с. Цим вимогам задовольняє КМОН-ФД матриця фірми Photobit, виконана з проектною нормою 0,5 мкм, двошаровими полікремнієвими затворами і двохшаровою металізацією.

Рисунок 2.14 – Залежність оптимального FF від роздільної здатності для ФПМ=0,2 і параметрів активного елемента указаних на рис. 2.13

Фотоприймач має наступні характеристики(табл. 2.1):

Таблиця 2.1 –  Характеристики матриці Photobit

Формат фоточутливої секції	1280(г)х720(в)
Організація зчитування	Прогресивна
Розмір активного елементу, мкм	7,9х7,9
Фактор FF, %	23
Час накопичення, зчитування і цифрового  перетворення сигналів однієї стрічки, мкс	22,32
Внутрішньокристальний АЦП	10-біт, 9-біт вихід
Вихід	Чотири 10-біт порти
Максимальна частота кадрів, кадрів/с	60(при тактовій частоті 74,25МГц)
Частота зчитування сигналів, Мпікс/с	55
Коеф. перетворення світла в сигнал	7
Геометричний шум, %	0,4 від рівня насичення
Темновий струм, пА/см2	860
Енергоспоживання, мВт	250