Способ считывания сигнального заряда с матричного пзи-фотоприемника

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при реализации фотоприемных устройств различных спектральных диапазонов. Сущность изобретения: способ считывания сигнального заряда с матричного прибора зарядовой инжекции ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, заключается в получении массива сигналов с элементов, кадра, когда сигнальный заряд каждого элемента инжектируют через свой открытый ключ выборки и столбцовую шину во входную диффузионную область зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью. Проводят предварительный цикл привязки потенциала затвора элемента и потенциала столбцовой шины, когда проводят налив заряда и слив заряда через входную диффузионную область и область под входным затвором зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью. Для каждого кадра дополнительно проводят цикл привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а полученные значения, общие для всех строк кадра, вычитают из значений заряда, считанных с открытым ключом выборки. Техническим результатом изобретения является снижение уровня шумов с частотами ниже кадровой при считывании сигнала с матричного ПЗИ-фотоприемника. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при реализации фотоприемных устройств различных спектральных диапазонов.

Известен способ считывания сигнального заряда с матричного фотоприемника, когда применяют прямую инжекцию заряда во входную диффузионную область регистра считывания на приборе с зарядовой связью (ПЗС) (под ред. Д.Ф.Барба. Приборы с зарядовой связью, М., Мир, 1982, с.74,75).

Недостаток способа проявляется в том, что в результате неконтролируемых флюктуаций порогового напряжения отдельные входные МДП-транзисторы матрицы могут оказаться полностью закрытыми, что подавляет инжекцию информационного заряда в ПЗС-регистр.

Известен способ считывания сигнального заряда с матричного прибора зарядовой инжекции (ПЗИ) фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, и получения массива сигналов, кадра. Каждый элемент имеет свой ключ выборки, выполненный на полевом транзисторе (Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона, Новосибирск, Наука, 2001 г, с.82, 83). В способе потенциал затвора элемента ПЗИ-фотоприемника привязывают к поверхностному потенциалу истоковой области полевого транзистора ключа выборки, а потенциал столбцовой шины привязывают к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя, используя «налив» и «слив» заряда через входную диффузионную область и область под входным затвором зарядового ПЗС-усилителя, после чего, через разделительную емкость, на затвор ПЗИ-элемента подают импульс инжекции, что приводит к вводу сигнального заряда через открытый ключ выборки и столбцовую шину в ПЗС-усилитель.

Однако в процессе привязки потенциала столбцовой шины при достижении равенства ее потенциала и поверхностного потенциала истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя ток носителей не прекращается из-за эффекта «испарения» из ямы. При этом часть заряда столбцовой шины перетекает в ПЗС-усилитель, создавая там паразитный заряд, который складывается с полезным сигналом. Величина заряда столбцовой шины может меняться во времени, например, из-за изменения заряда на поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-диэлектрик под входным затвором ПЗС-усилителя. Такое изменение заряда столбцовой шины приводит к изменению паразитного заряда, что приводит к дополнительному шуму. Спектральный состав такого шума имеет низкочастотные компоненты 1/F, что соответствует известным данным о характере шумов в МДП-транзисторе, вызванных перезарядкой поверхностных состояний под затвором. Величина такого шума может быть весьма заметной, т.к. в реальных приборах емкость столбцовой шины может превышать емкость входного затвора в 40 и более раз. Т.е. изменение заряда, захваченного на границе раздела подзатворный диэлектрик-полупроводник под входным затвором, на 1 электрон приведет к изменению заряда столбцовой шины на 40 и более электронов. Часть этого изменения приведет к изменению паразитного заряда и увеличит шум считывания сигнального заряда с ПЗИ-фотоприемника. По оценкам, случайный процесс перезарядки поверхностных состояний с плотностью на уровне 10⁹ см^-2·эВ^-1, на границе Si-SiO₂ под входным затвором, может дать дополнительный шум на уровне 200 электронов.

Недостатком способа является избыточный шум.

Техническим результатом изобретения является снижение уровня шумов с частотами ниже кадровой при считывании сигнала с матричного ПЗИ-фотоприемника (за счет вычитания из выходного сигнала доли, обусловленной паразитным зарядом).

Технический результат достигается тем, что в способе считывание сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, заключающееся в получении массива сигналов с элементов, кадра, причем сигнальный заряд каждого элемента инжектируют через свой открытый ключ выборки и столбцовую шину во входную диффузионную область зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, с предварительным циклом привязки потенциала затвора ПЗИ-элемента и потенциала столбцовой шины, когда проводят налив заряда и слив заряда через входную диффузионную область и область под входным затвором зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, дополняют один раз на кадр циклом привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а полученное значение, общее для всех строк кадра, вычитают в каждой строке из значения заряда, считанного с открытым ключом выборки.

Кроме того, перед вычитанием из значения заряда, считанного с открытым ключом выборки, один раз на кадр дополнительно проводят К циклов привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а вычитаемое вычисляют как среднее арифметическое от K+1 полученных значений.

Такое усреднение повышает точность определения вычитаемого паразитного заряда и уменьшает шум результата. Значение К может быть в диапазоне от 1 до 100000, хотя, для большинства применений, на наш взгляд, достаточно выбирать К в диапазоне от 1 до 3, т.к. уже при К=3 шум вычитаемого становится существенно меньше шума уменьшаемого и далее, при увеличении К, шум результата вычитания спадает слабо.

Значения n и m могут быть в диапазоне 1≤n≤1000000, 1≤m≤1000000. Для увеличения быстродействия, обычно, считывание сигнального заряда проводят параллельно (одновременно) для m элементов одной строки, применяя m штук ПЗС-усилителей.

Применяя предлагаемый способ, надо иметь ввиду, что время кадра увеличивается по сравнению с прототипом на время считывания К+1 строк, что приведет к снижению максимальной кадровой частоты на единицы процентов (при числе строк в кадре больше 100). Будут подавляться только компоненты шума с частотами ниже кадровой.

Способ был реализован для матричного, 128×128, ПЗИ-фотоприемника на основе электронного арсенида индия, в составе тепловизора. Часть устройства считывания (содержащая входные контакты, ключи выборки, столбцовые шины, ключи налива и слива заряда, сдвиговые регистры, 128 ПЗС-усилителей) выполнена на кремниевой подложке и присоединена с помощью 16384-х индиевых микростолбиков к матричному ПЗИ-фотоприемнику. Другая часть, содержащая многофазный генератор управляющих импульсов, ключ запирания импульса управления ключом привязки, счетчик строк, дешифраторы состояния счетчика строк, RS-триггер, счетчик элементов строки, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) размером 1×128 слов, цифровые делитель и вычитающее устройство, сумматор, выполнена на стандартных микросхемах. Эпюры управляющих напряжений многофазного генератора были настроены таким образом, что один раз на кадр считывался заряд, полученный без импульса открывания ключа привязки. Сигнал с выхода каждого ПЗС-усилителя, пропорциональный его паразитному заряду, последовательно подавался на вход АЦП, затем, уже в цифровой форме, запоминался в соответствующей ячейке ОЗУ. ОЗУ должно иметь не менее m ячеек (слов). Разрядность слов ОЗУ необходимо выбирать больше разрядности АЦП, чтобы обеспечить возможность суммирования К+1 значений с выхода АЦП без потери информации.

Далее, с каждой строки, с выхода каждого ПЗС-усилителя, считывался сигнал, пропорциональный сумме его паразитного и сигнального зарядов, и последовательно подавался на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), затем подавался на вход вычитающего устройства, которое вычитало из числа на выходе АЦП число, соответствующее данному ПЗС-усилителю, хранящееся в ОЗУ. Так удалось вычесть влияние паразитного заряда и уменьшить шум. Чтобы увеличить точность измерения паразитного заряда можно применить повторные измерения, а результат вычислять как среднее арифметическое. Необходимый для вычисления среднего арифметического делитель удобно выполнить на регистре сдвига, когда К+1 равно двум в целой степени.

ПЗИ-фотоприемник был включен в состав тепловизора. На ПЗИ-фотоприемник с помощью инфракрасного объектива фокусировалось изображение сцены. Совокупность, массив, сигналов со всех элементов (пикселей) матричного ПЗИ-фотоприемника, полученных одновременно или последовательно во времени, образует кадр. Для каждого элемента кадра можно записать t(i-1)<t(i)<t(i+1), где i - номер кадра, t - момент времени получения сигнала. Кроме того, t_max(i)<t_min(i+1), где t_min - момент времени считывания первого (во времени) элемента кадра, t_max - момент времени считывания последнего (во времени) элемента кадра. В общем случае, размер кадра может не совпадать с размером фотоприемника. Последовательность кадров во времени можно рассматривать как фильм.

Результат применения предлагаемого способа с определением величины паразитного заряда усреднением по четырем измерениям (К=3) показан на графике (см. чертеж) экспериментальной зависимости, эквивалентной шуму регистрируемой тепловизором разности температур, NETD, от количества суммируемых кадров при температуре сцены 30°С, полученном с помощью матричного, 128×128 пикселей, ПЗИ-фотоприемника на основе InAs при частоте кадров 100 c^-1. Кривая 1 получена с применением известного способа-прототипа, кривая 2 - с применением предлагаемого способа. Видно, что применение предлагаемого способа позволяет вплоть до 1024 суммируемых кадров и эффективной кадровой частоты порядка 0.1 Гц получить зависимость NETD достаточно близкой к теоретической зависимости 1/(N)^1/2, где N - количество суммируемых кадров, а NETD улучшается с 25 мК (без суммирования кадров) до 1 мК в результате суммирования 1024 кадров. При суммировании 128-ми кадров применение способа дает выигрыш по шумам и NETD в полтора раза.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет существенным образом подавить низкочастотные (с частотами ниже кадровой) составляющие шума и улучшить пороговые характеристики матричного ПЗИ-фотоприемника, в частности NETD, особенно при суммировании кадров.

1. Способ считывания сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, заключающийся в получении массива сигналов с элементов, кадра, причем сигнальный заряд каждого элемента инжектируют через свой открытый ключ выборки и столбцовую шину во входную диффузионную область зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, с предварительным циклом привязки потенциала затвора элемента и потенциала столбцовой шины, когда проводят налив заряда и слив заряда через входную диффузионную область и область под входным затвором зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, отличающийся тем, что один раз на кадр дополнительно проводят цикл привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а полученное значение, общее для всех строк кадра, вычитают в каждой строке из значения заряда, считанного с открытым ключом выборки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед вычитанием из значения заряда, считанного с открытым ключом выборки, один раз на кадр дополнительно проводят К циклов привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки и считывания заряда, полученного в результате дополнительной привязки потенциала столбцовой шины с закрытым ключом выборки, а вычитаемое вычисляют как среднее арифметическое от К+1 полученных значений.