Способ аналогово-цифрового преобразования светового излучения на диоде с переключаемой проводимостью и фотоприемник для его реализации
Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации цифровых изображений. Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение пространственного разрешения при высокой эквивалентной квантовой эффективности. Указанный результат достигается за счет того, что в способе аналогово-цифрового преобразования светового излучения, включающим преобразование излучения в фототок, интегрирование за время экспозиции фототока в электрический заряд, изменяющий предварительно введенный перед экспозицией начальный заряд, преобразование результирующего заряда в напряжение сигнала, сравнение напряжения сигнала с эталонным напряжением и переключение компаратора как результат сравнения, формирование двоичных сигналов, модулированных по времени переключения относительно начального времени, формирование по ним цифровых кодов, запоминание цифровых кодов и последовательная их выдача на выходы, при этом для ввода в диод с переключаемой проводимостью начального заряда подают на него соответствующее начальному заряду напряжение в прямом направлении со скоростью изменения, вызывающей инжекцию неосновных носителей, не превышающую уровень включения переключающего диода в проводящее состояние, а в качестве эталонного напряжения подают на него соответствующее ему напряжение опроса со скоростью изменения достаточно высокой, чтобы вызвать инжекцию неосновных носителей, необходимую для его включения при достижении напряжения, соответствующего результирующему заряду, с заданной точностью. Реализующее данный способ устройство содержит одну или более соединенных с адресными и сигнальными шинами фоточувствительных ячеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора и эталонным напряжением в цифровой сигнал ячейки, схему считывания цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника, при этом в ячейке фотодетектор, схема ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнены в виде туннельного переключающего диода в МДП (металл, диэлектрик, полупроводник) структуре, один из выводов которого соединен с адресной шиной, а другой - с сигнальной. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации цифровых изображений.
Известны способы аналогово-цифрового преобразования и фотоприемники с аналогово-цифровым преобразованием в ячейках, см. US Patent 6,271,785, Aug.7, 2001, D.A. Martin et al., "CMOS imager with an A/D per pixel convector", US Patent 6,380,880, Apr. 30, 2002, Bidermann, "Digital pixel sensor with integrated charge transfer amplifier", US Patent 7,456,885, Nov.25, 2008, R.J. Baker, "Per column one-bit ADC for image sensors". Достоинством способов аналогово-цифрового преобразования светового излучения в ячейке и фотоприемников на их основе является высокая защищенность от нелинейных искажений и помех в цепях считывания и передачи сигналов фотодетекторов. Недостатком является повышенная сложность ячеек.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является устройство фотоприемника и метод, описанные в US Patent 6,271,785, Aug. 7, 2001, D.A. Martin et al., "CMOS imager with an A/D per pixel convector".
Приведенный в этом источнике способ аналогово-цифрового преобразования светового излучения включает преобразование излучения в фототок, интегрирование за время экспозиции фототока в электрический заряд, изменяющий предварительно введенный перед экспозицией начальный заряд, преобразование результирующего заряда в напряжение сигнала, сравнение напряжения сигнала с эталонным напряжением и переключение компаратора как результат сравнения, формирование двоичных сигналов, модулированных по времени переключения относительно начального времени, формирование по ним цифровых кодов, запоминание цифровых кодов и последовательная их выдача на выходы.
Предложенное по этому способу устройство содержит одну или более соединенных с адресными и сигнальными шинами фоточувствительных ячеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора и эталонным напряжением в цифровой сигнал ячейки, схему считывания цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника.
Их недостатком является сложность, препятствующая уменьшению размеров ячейки и соответственно увеличению пространственного разрешения фотоприемника, а также снижающая долю площади ячейки, открытой для принимаемого излучения, т.е. уменьшающая эквивалентную квантовую эффективность.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение пространственного разрешения при высокой эквивалентной квантовой эффективности.
Указанный результат достигается за счет того, что в известном способе аналогово-цифрового преобразования светового излучения, включающим преобразование излучения в фототок, интегрирование за время экспозиции фототока в электрический заряд, изменяющий предварительно введенный перед экспозицией начальный заряд, преобразование результирующего заряда в напряжение сигнала, сравнение напряжения сигнала с эталонным напряжением и переключение компаратора как результат сравнения, формирование двоичных сигналов, модулированных по времени переключения относительно начального времени, формирование по ним цифровых кодов, запоминание цифровых кодов и последовательная их выдача на выходы, предложено:
- для ввода в диод с переключаемой проводимостью начального заряда подавать на него соответствующее начальному заряду напряжение в прямом направлении со скоростью изменения, вызывающей инжекцию неосновных носителей, не превышающую уровень включения переключающего диода в проводящее состояние, а в качестве эталонного напряжения подавать на него соответствующее ему напряжение опроса со скоростью изменения достаточно высокой, чтобы вызвать инжекцию неосновных носителей, необходимую для его включения при достижении напряжения, соответствующего результирующему заряду, с заданной точностью, а в реализующем данный способ устройстве, содержащим одну или более соединенных с адресными и сигнальными шинами фоточувствительных ячеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора и эталонным напряжением в цифровой сигнал ячейки, схему считывания цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника, предложено:
- в ячейке фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнить в виде туннельного переключающего диода в МДП (металл, диэлектрик, полупроводник) структуре, один из выводов которого соединен с адресной шиной, а другой - с сигнальной.
Дополнительно предложено:
- эталонное напряжение опроса подавать линейно или ступенчато изменяющимся,
- последовательную выдачу на выход сигналов переключающего диода производить в виде двоичных сигналов с широтно-импульсной модуляцией,
- формирование цифровых кодов сигналов переключающих диодов по времени их переключения относительно начального времени выполнять путем многократного периодического опроса за время экспозиции состояния каждого переключающего диода, счета накопителями количеств опросов при определенном состоянии переключающего диода и отсутствие счета при его другом состоянии, обмена промежуточными результатами накопителей с ячейками памяти цифровых кодов сигналов переключающих диодов при циклическом переключении накопителей к другим переключающим диодам, выдачи цифровых кодов из ячеек памяти на выходы по истечении времени экспозиции соответствующих им фоточувствительных переключающих диодов,
- в ячейке фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнить в виде переключающего диода в n-р-n-р полупроводниковой структуре,
- ячейку на МДП туннельном переключающем диоде выполнить на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, которая содержит охватывающую и изолирующую ячейки область одинакового с подложкой типа проводимости с омическим контактом на поверхности, имеющую градиент концентрации примеси, создающей электрическое поле, выталкивающее неосновные носители во внутреннюю область противоположного типа проводимости, на которой сформированы электрод, отделенный от нее туннельно тонким диэлектриком, и область первого типа проводимости, способная инжектировать во внутреннюю область и к туннельному диэлектрику неосновные носители, имеющая омический контакт с электродом р-n перехода,
- боковые части охватывающей и изолирующей ячейки области одинакового с подложкой типа проводимости выполнить в виде изолирующих канавок,
- схему считывания цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника выполнить с включением в каждую схему или в любую комбинацию из них компонентов схемы преобразования изображения и сжатия данных.
Увеличение пространственного разрешения при высокой эквивалентной квантовой эффективности достигается за счет функциональной интеграции фотодетектора, схемы ввода начального заряда, преобразователя заряда и компаратора в областях туннельного переключающего диода, не превышающего по размерам МОП-транзистор, с применением предложенного способа аналогово-цифрового преобразования.
При субмикронной КМОП технологии уменьшение размеров ячеек в предлагаемом фотоприемнике ограничивается лишь дифракционным пределом, которому соответствует плотность ячеек около 3·107 см-2.
Так как в отличие от глаза информация в матричном фотоприемнике выводится через ограниченное число выводов, то при обычной кадровой частоте (100 Гц) частота считывания становится чрезвычайно высокой - до 10 Гбит/сек.
Поэтому дополнительно предложено для снижения количества выходов и/или тактовой частоты вывода через них сигналов ячеек (в 10-100 раз) ввести в периферийные схемы фотоприемника компоненты схемы преобразования изображения и сжатия данных.
Указанные выше технические результаты достигаются совокупностью перечисленных выше новых признаков изобретения.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:
Фиг.1 показывает пример блок-схемы предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием.
Фиг.2 иллюстрирует структуру ячейки с формируемыми травлением изолирующими канавками предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием.
Фиг.2а иллюстрирует структуру ячейки с формируемой примесью изолирующей областью предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием.
Фиг.3 показывает эквивалентную электрическую схему ячейки предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием (IT - туннельный ток через тонкий подэлектродный диэлектрик, ID - ток фотодетектора).
Фиг.4 показывает вольт-амперную характеристику МДП туннельного переключающего диода, поясняющую режимы работы ячейки (I RES - ток ввода начального заряда, I REDON - ток считывания во включенном состоянии, I REDON >> I RES, I REDOFF << I RES в выключенном состоянии).
Фотоприемник с аналогово-цифровым преобразованием содержит одну или более соединенных с адресными 1 и сигнальными 2 шинами фоточувствительных ячеек 3, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор 4, схему (р-n переход) ввода начального заряда 5, преобразователь (МДП конденсатор) 6 заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор 7, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора (на зарядовой емкости) и эталонным напряжением (подаваемым во время опроса на шину 2) в цифровой сигнал ячейки, схему считывания 8 цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования 9 цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство 10 для хранения цифровых кодов, схему считывания 11 цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов 12 фотоприемника, причем согласно изобретению в ячейке 3 фотодетектор 4, схема ввода начального заряда 5, преобразователь заряда 6 и компаратор 7 выполнены в виде МДП туннельного переключающего диода 13, один из выводов которого соединен с адресной 1 шиной, а другой - с сигнальной 2, а схемы 8, 9, 10, 11 могут содержать компоненты схемы преобразования изображения и сжатия данных.
Реализация схемы сжатия данных и метод приведены в US Patent 7,769,238, Aug. 3, 2010, Kiyofumi Abe et al., "Picture coding method and picture decoding method".
Описание МДП туннельного переключающего диода см. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, кн.2, М. Мир, 1984, стр.133-137.
Предложенный фотоприемник, реализующий предложенный способ аналогово-цифрового преобразования, работает следующим образом: во время экспозиции фотодетектор 4 выполняет в ячейках 3 преобразование излучения в фототок ID, интегрирует фототок в электрический заряд (на суммарной емкости МДП конденсатора 6, фотодетектора 4 и р-n перехода 5), изменяющий предварительно введенный через вывод 1 перед экспозицией начальный заряд, подачей на р-n переход 5 соответствующего начальному заряду напряжения в прямом направлении со скоростью изменения (например, 103 В/сек), вызывающей инжекцию неосновных носителей I RES, не превышающую уровень включения ячейки в проводящее состояние, преобразует результирующий заряд в напряжение сигнала, сравнивает напряжение сигнала с эталонным напряжением, которое подается схемой 8 при опросе на вывод 1 линейно или ступенчато изменяющимся со скоростью изменения (например, 105 В/сек) достаточно высокой, чтобы вызвать инжекцию неосновных носителей I REDON, необходимую для включения при достижении напряжения, соответствующего результирующему заряду, с заданной точностью, и в то же время позволяющей формировать цифровые коды сигналов ячеек по времени их переключения относительно начального времени эталонного напряжения опроса подсчетом (например с частотой 100 МГц) тактовых импульсов в схеме 9, запоминает в оперативном запоминающем устройстве 10 сформированные цифровые коды (например, 10-разрядные) и последовательно их выдает через схему считывания 11 на выходы 12,
- в другом варианте формирование сигналов ячеек по времени их переключения относительно начального времени эталонного напряжения опроса производится схемой считывания 8 попиксельно или группами пикселей в виде сигналов с широтно-импульсной модуляцией при непосредственном выводе этих сигналов, минуя накопители 9 и ячейки памяти 10, на один или соответствующую группу выводов 12,
- в другом варианте формирование цифровых кодов сигналов ячеек по времени их переключения относительно начального времени экспозиции выполняется путем многократного периодического опроса за время экспозиции состояния каждой ячейки 3, счета накопителями 9 количеств опросов при определенном состоянии ячеек и отсутствии счета при другом состоянии, обмена промежуточными результатами накопителей 9 с ячейками памяти 10 цифровых кодов сигналов ячеек при циклическом переключении накопителей 9 к другим ячейкам, выдачи цифровых кодов из ячеек памяти 10 на выходы 12 по истечении времени экспозиции соответствующих им фоточувствительных ячеек.
В последнем варианте длительность импульса эталонного напряжения при опросе строк значительно сокращается (например, со строчной до пиксельной, т.е. в 1000 раз), что вследствие увеличения скорости его изменения пропорционально улучшает точность включения ячейки как компаратора. Недостаток этого варианта - большое количество ячеек памяти 11 (превышающее количество фоточувствительных ячеек) и накопителей 10 (до количества ячеек в строке), более чем вдвое увеличит площадь кристалла, но оставит ее приемлемой.
Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.
1. Способ аналогово-цифрового преобразования светового излучения на диоде с переключаемой проводимостью, включающий преобразование излучения в фототок, интегрирование за время экспозиции фототока в электрический заряд, изменяющий предварительно введенный перед экспозицией начальный заряд, преобразование результирующего заряда в напряжение сигнала, сравнение напряжения сигнала с эталонным напряжением и переключение проводимости как результат сравнения, формирование двоичных сигналов, модулированных по времени переключения относительно начального времени, формирование по ним цифровых кодов, запоминание цифровых кодов и последовательную их выдачу на выходы, отличающийся тем, что для ввода в диод с переключаемой проводимостью начального заряда подают на него соответствующее начальному заряду напряжение в прямом направлении со скоростью изменения, вызывающей инжекцию неосновных носителей, не превышающую уровень включения переключающего диода в проводящее состояние, а в качестве эталонного напряжения подают на него соответствующее ему напряжение опроса со скоростью изменения достаточно высокой, чтобы вызвать инжекцию неосновных носителей, необходимую для его включения при достижении напряжения, соответствующего результирующему заряду, с заданной точностью.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эталонное напряжение опроса подают линейно или ступенчато изменяющимся.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что последовательная выдача на выход сигналов переключающего диода производится в виде двоичных сигналов с широтно-импульсной модуляцией.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование цифровых кодов сигналов переключающих диодов по времени их переключения относительно начального времени выполняется путем многократного периодического опроса за время экспозиции состояния каждого переключающего диода, счета накопителями количеств опросов при определенном состоянии переключающего диода и отсутствия счета при его другом состоянии, обмена промежуточными результатами накопителей с ячейками памяти цифровых кодов сигналов переключающих диодов при циклическом переключении накопителей к другим переключающим диодам, выдачи цифровых кодов из ячеек памяти на выходы по истечении времени экспозиции соответствующих им фоточувствительных переключающих диодов.
5. Фотоприемник с аналогово-цифровым преобразованием светового излучения для реализации способа, содержащий одну или более соединенных с адресными и сигнальными шинами фоточувствительных ячеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора и эталонным напряжением в двоичный сигнал ячейки, схему считывания двоичного сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника, отличающийся тем, что в ячейке фотодетектор, схема ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнены в виде туннельного переключающего диода в МДП (металл, диэлектрик, полупроводник) структуре, один из выводов которого соединен с адресной шиной, а другой - с сигнальной.
6. Фотоприемник по п.5, отличающийся тем, что в ячейке фотодетектор, схема ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнены в виде переключающего диода в n-p-n-р полупроводниковой структуре.
7. Фотоприемник по п.5, отличающийся тем, что ячейка на МДП туннельном переключающем диоде выполнена на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, содержит охватывающую и изолирующую ячейки область одинакового с подложкой типа проводимости с омическим контактом на поверхности, имеющую градиент концентрации примеси, создающий электрическое поле, выталкивающее неосновные носители во внутреннюю область противоположного типа проводимости, на которой сформированы электрод, отделенный от нее туннельно тонким диэлектриком, и область первого типа проводимости, способная инжектировать во внутреннюю область и к туннельному диэлектрику неосновные носители, имеющая омический контакт с электродом р-n перехода.
8. Фотоприемник по п.7, отличающийся тем, что боковые части охватывающей изолирующей ячейки области одинакового с подложкой типа проводимости выполнены в виде изолирующих канавок.
9. Фотоприемник по любому из пп.5-7, 8, отличающийся тем, что схема считывания двоичного сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схема формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схема считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника выполнены с включением в каждую схему или в любую комбинацию из них компонентов схемы преобразования изображения и сжатия данных.
