Способ ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью

Способ ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ВВОДА ЭЖКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий полевые электроды истока. затвора, стока и расположенный между электродами затвора и стока разрешающий электрод, заключающийся в вьфавкивании потенциалов стока и затвора посредством инжекции и экстракции заряда и последующей экстракции информативного заряда из истока в каждом такте ввода, отличающийся тем, что, с целью повьшения отношения сигнал-тпум и контраста выходного сигнала, электрический сигнал вводят непосредственно на электрод истока, а в каждом такте ввода в течение всего интервала времени между экстракцией заряда и экстракцией информативного заряда на разрешающий электрод пода (Л ют запирающий импульс напряжения.

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (19) (11) (1) ф Н 01 1д 2 7/04

Ж ЕСТ@,"-р.; g ,!j ц

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2l) 3327773!18-25 (22) 07.08.81 (46) 07.03.86. Бюл. У 9 (72} Ю, Р,Винецкий, М, А. Тришенков, Ю. M. Эскин, А. В. Вето ,и А. C„ Скрылев (53) 621.327(088.8) (56) Tompsett M. "Surface potencial

equilibration method of setting charge

into CCDs" LEEE Trans on El, Dev.

v. ED-22, Р б, 1975, р.. 305, Kosonocky 11., Carpes F, "Вав1с Ñînsepts of CCDs RCA, Веч,,ч. 36, 1975, р. 566. (54)(57) СПОСОБ ВВОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

СИГНАЛА В ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий полевые электроды истока, затвора, стока и расположенный между электродами затвора и стока разрешающий электрод, заключающийся в вырав нивании потенциалов стока и затвора посредством инжекции и экстракции

1 заряда и последующей зкстракции информативного заряда из истока .в каждом такте ввода, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения отношения сигнал-шум и контраста выходного сигнала, электрический сигнал вводят непосредственно на электрод истока, а в каждом такте ввода в течение всего интервала времени между экстракцией заряда и экстракцией информативного заряда на разрешающий электрод подают запирающий импульс напряжения, 32948

15

30

4 1О

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике, в частг ности к способам управления приорами с зарядовой связью (ПЗС), и может найти применение в cистемах тепловидения при селекции движущихся объектов, при выделении контуров объектов и определении координат точечных объектов, в медицинской диагностической аппаратуре для коммутации с помощью ПЗС ИК-фотоприемников.

Известен способ ввода вольтаического сигнала, например напряжения фоточувствительного элемента, в ПЗС методом выравнивания потенциалов с помощью последовательной ин:хекции (налива) и экстракции (слива)заряда . в потенциальной яме ПЗС, В этом способе входное устройство ПЗС формирует заряд Gg.,i ïðoïîðöèoíàëüíûé разности мгновенного значения сигнала. з и опорного уровня Ч р Qs Vs (Й) 1

Недостаток способа — зависимость заряда g от пороговых напряжений электродов входного устройства ПЗС, что в многовходовых приборах приводит к "геометрическому" шуму, ухудшая отношение сигнал-шум и контраст выходного сигнала, Известен также способ ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью, содержащий полевые электроды истока, затвора, стока и расположенный между электродами затвора и стока разрешающий электрод, заключающийся в выравнивании потенциалов стока и затвора посредством инжекции и экстракции заряда в каждом такте ввода и последующей экстракции информативного заряда из истока в каждом такте ввода.

Данный способ является ближайшим к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Его недостаток заключается в малом отношении сигнал-шум и небольшом контрасте выходного сигнала.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал-шум и контрас та выходного сигнала, Поставленная цель достигается тем, . что в способе ввода электрического сигнала в прибор с зарядовой связью, содержащий полевые электроды истока, затвора, стока и расположенный меж. ду электродами затвора и стока разрешающий электрод заключающемся в выравнивании потенциалов стока и зап, вора посредством инжекции и экстракции заряда и последующей экстракции информативного заряда из истока в каждом такте ввода, электрический сигнал подают непосредственно на электрод истока, а в каждом такте ввода в течение всего интервала времени между экстракцией заряда и экст» ракцией информативного заряда на разрешающий электрод подают запчрающий импульс напряжения, Непосредственная подача электрического сигнала на электрод истока устраняет шумы коммутации и обуслов ливает постоянную "привязку" уровня дна .потенциальной ямы истока к напряжению сигнала V> (t), а поданаемый на разрешающий электрод в момент времени t импульс напряжения прекращает слив и изолирует заряд в истоке на время д t; если за это время сигнал изменяется oT V> (Q) до Чз (й + gt), то из ямы истока

"выдавливается" заряд O s — VS (t +

+ 6e) — VS (С), который после снятия импульса на разрешающем электроде вытекает из истока и образует информативный заряд. Этим достигается режим, когда роли "опорного" и "сигнального" напряжений играют два значения напряжения сигнала, последовательно взятые с интервалом

ht. При малых h t

q,-v (t +л t) v (е„) =аv, (t ) =

d Vs (с,) — nk, dt причем последнее равенство тем точнее, чем меньше а t и чем ниже верхняя граничная„частота) спектра сигнала 7 (1 д С(1), поэтому при

- 5 указанных условиях входное устройство ПЗС приобретает передаточную характеристику дифференцирующего звена.

Так как такое звено не пропускает низкочастотных 1в том числе постоян ной) составляющих электрического сиг нала, фоновая составляющая на выходе устройства отсутствует и контраст в выходном сигнале повышается, Отношение сигнал-шум повышается как за счет устранения шумов коммутации, так и за счет включения в систему обработки сигнала операции дифференцирования, необходимой для оптимизации обработки- сигнала в отмеченных системах.

На фиг. l показано входное устройство ПЗС, реализующего данный способ в плане; на фиг. 2 — то же, в разрезе; на фиг, 3-7 приведены потенциальные диаграммы, соответствующие напряжениям на электродах входного устройства ПЗС, показывающие последовательность операций в способе; на фиг. 8 показаны временные диаграммы напряжений V< подаваемых на электроды с соответствующими номерами 1 °

Входное устройство ПЗС содержит на полупроводниковой подложке, например, h -типа (на чертеже не показана) электрод источника.1, электрод затвора 2, разрешающий электрод 3, электрод стока 4, затвор регистра

5 затвор 6 налива - слива, диод 7 налива.- слива.и диффузионную область

8 совпадающего с подложкой типа про-. водимости. Непосредственно на электрод истока 1 подают напряжение U5 от источника 9 сигнала, условно изображаемого как источник напряжения и представляющего, например ИК-фото резистор. Канал 10 имеет ветвь для налива-слива и ветвь для передачи сформированного заряда из стока в регистр,.содержащий группы фазовых электродов 11, !2, 13.; боковое ограничение канала осуществляется стоп-диффузионной областью 8.

Стрелки на фиг. 1 указывают пути движения .зарядовых пакетов при наливе, сливе и передаче их в регистр, а также при переносе в регистре, Ре» гистр ПЗС, куда передаются из вход- . ного устройства сформированные заря-. довые пакеты, содержит группы фазоBblx электродов 11, 12, 13, обеспечивающих перенос зарядов к выходному устройству ПЗС, где они регистрируются.

Каждый цикл формирования заряда начинают с относительно быстрого последовательного повышения (налив) и понижения (слив);потенциала диода 7 налива-слива при "открытом" затворе 6 налива-слива (на нем низкий уровень потенциала, см. фиг. 3). К моменту времени t< слив завершают и достигается выравнивание поверхностных .потенциалов истока 1 и затвора 2, т.е. потенциальная яма истока

1 заполнена дырками до уровня, определяемого постоянным напряжением V на электроде затвора 2, Уровень "дна" потенциальной ямы истока 1 определя-.

1032948 4 ется напряжением сигнала V< в течение

A. времени налива — слива цр (см. фиг, 8) . Это время выбирают столь малым, чтобы сигнал V> не .успел сь существенно измениться; LBblp) cc 1, S

Тогда можно .считать, что при наливесливе V<, mnst Ч (t„) и к моменту t в яме истока содержится зарядовый пакет, равный Qy(t) Си(.Чз(й, )1О -Ч .- Ь), где Ь вЂ” величина, зависящая от параметров МОП-структуры и не зависящая от Ч5, à Cu — емкость окисла под электродом истока 1, В следующий за моментом времени t, 15 момент t„ + о и вытекание заряда иэ истока 1 прекращают путем подачи на разрешающий электрод 3 импульса напряжения h,V повышакицего под ним поверхностный потенциал (фиг, 4) .

20 Вслед эа этим в момент времени t

"закрывают" затвор 6 налива слива, повьпная под ним поверхностный потенциал и тем саум изолируют сток 4 от диода 7 налива-слива (фиг, 5), 2Ç Импульс напряжения на разрешающем электроде 3 действует в-течение вре» мени Ь t вслед за моментом t, а его величину 6V выбирают достаточно большой для того, чтобы создаваемый

30. барьер не был превышен уровнем по верхностного потенциала в истоке 1.

В течение времени изоляции 4 t происходит изменение "дна" потенциаль- . ной ямы истока 1 под действием сигнала V<, вследствие чего изменяется его поверхностный потенциал (фиг.5,6). °

Если сигнал нарастает,.то повЫшается и поверхностный потенциал. В следующий за моментом времени „ + h,t мо-, 40 мент tg + 4 t + 3 t происходит снятие барьера - прекращают импульс на раз решающем электроде 3 (фиг, 6).. Часть заряда иэ истока 1 перетекает в сток

4, образуя сигнальный заряд Q .

Величину перетекшего заряда можно найти, вновь пользуясь условием вы равнивания поверхностных потенциалов в истоке 1 и затворе 2, причем, как и ранее, считаем, что Ч ие успевает % измениться за время l gblp выравнивания

50 потенциалов: з,<- ) «1. При этом

Ь величина заряда, остакицегося. в исто,ке, определяется соотношением

q,(tÄ + gt) Си(Чз(с„+ At) - Ч -Я, а перетекшего заряда - соотношением

55 (4 = (и(ел + at) — Qll(ti)CuQV>(tz + Аt ) - Чц (t>) Cu КЧз

1032948

Отсюда видно, что в стоке 4 обра-. зуется заряд Qg пропорциональный приращению сигнала 67 5 за время

At, а при малых .A,t — пропорциог,Ь

S 5 нальный производной сигнала dVS уcit.

Этот заряд с помощью затвора регистра 5 передают из стока 4 в регистр, понижая потенциал на электроде (фиг. 7), причем начало перетекания 10 заряда из стока 4 в регистр может совпадать с началом перетекания заряда из истока 1 в сток 4. После передачи заряда Q в регистр последний вновь изолируют, восстанавливая потенциал на затворе регистра 5, и открывают затвор 6 налива - слива, возвращая входное устройство ПЗС в исходное состояние к моменту времени

Тц (окончание цикла). 20

Требуемая передаточная характеристика получена благодаря тому, что выравнивание поверхностных потенциалов истока 1 и затвора 2 происходит дважды sa цикл ввода: в начале цикла - при уровне .сигнала VS (t,) и в конце цикла - при уровне сигнала

VS (t„ + Д t), Длительность цикла Т1, складывается из интервалов „, „

ыР1 Ьыр и времени изоляции d t.. 30

Для правильного использования способа ввода электрического сигнала . в прибор с зарядовой связью необходимо, чтобы величина импульса h, V3 выбиралась по стандартным формулам

35 для обедненной M01I-структуры. Необходимо также, чтобы основное изменение сигнала приходилось на время л h т. e. h t >o i а р + a э рЛри типичных л

1 (ры 1-3 мкс это приводит к оцен,х 40 ке верхней граничной частоты сигналов, которые будут правильно дифференцироваться,(. (10 10 Гц; На- .Ь Д 2( конец, наилучш е характеристики способ имеет при вводе субтепловых сигналов, когда AVz «+ =<>/,.-. 25 мВ

45 (при Т .= 300 К), поскольку. при этом линейно передаются как положительные (подъемы дна потенциальной ямы истока 1), так и отрицательные (опуска,:ние дна) приращения сигнала, !

Укаэанные условия — правильный выбор Ь VS, ) < 1О Гц, V (1О мВ

S (при Т = 300 К) наиболее благоприятны для применения данного способа, так как передаточная характеристика совпадает при этом с тактовой для дифференцирующего звена, Применение способа ввода, обеспечивающего дифференцирование входного сигнала, повьппает отношение сигнал/

/шум, так как операция дифференцирования обусловливает реализацию оптимальной обработки сигнала при определении контуров (или координат) объектов, выделения движущихся объектов, определение времени прихода им.пульс ного сигнала; благодаря устранению шумов коммутации дополнительно повышается отношение сигнал/шум. Контраст в выходном сигнале повьгпается благодаря фильтрации постоянной составляющей общей для всех каналов (фона), что особенно важно для систем ИК-диапазона.

Дополнительными преимуществами данного способа являются: фильтрация шумов типа 1/g, присущих большинству фотоприемников, служащих источниками входного сигнала VS повышение однородности в многовходовых структурах - даже если в силу технологических причин фотоприемники различны по уровню постоянной составляющей сигнала, то это не ска жется на выходном сигнале, так как на выход входного устройства ПЗС постоянная составляющая входного сигнала не передается.

По сравнению с принятым за базовый образец коммутатором типа КАС, выигрыш в величине шума может составить согласно оценке 0,5 мВ/20 мВ=

25 раз, а в.контрасте 250 раз.

1032948

12

-6+А нмо изоаячии алгола

1032948

1-

1

6ЫУы/аюдаг гпби наяиба-слиба

d =dr л1 д9 авала передачи

yzi7a Р слгок (1

А

&гиаю

Vg= Уф

ВНИИПИ Заказ 1013/1 Тираж 644 Подписное филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4