: архив : архив журнала "625" : 1995 : #6

Матрицы CCD - еще одна революция в телевидении
Леонид Чирков

CCD-камера появилась к полувековому юбилею электронной телевизионной вещательной системы - где все 50 лет безраздельно господствовали ЭЛТ, достигшие к этому времени, казалось, совершенства.

Почему CCD одолели Tubes

Впервые приборы с зарядовой связью появились в 1970 г. и были предложены в качестве недорогих элементов полуоперативной памяти, накопителей, регистров сдвига и линий задержки с управляемым временем. Уже этих специальностей хватило, чтобы новым прибором заинтересовались серьезные разработчики. Вскоре обнаружилась новая возможность инжекции зарядов в CCD с использованием фотоэффекта. Фирма RCA первая обратила внимание, что фотоэффект открывает новым приборам путь в телевидение.

Первое, что привлекало внимание к новому претенденту - это жестко заданный геометрический растр, что сразу и окончательно снимало проблему геометрических искажений, столь характерную для трубок. Тепловая стабильность твердотельных матриц гарантировала устойчивость рабочих параметров в течение длительного времени: хорошая управляемость снимала проблему настроек и их долговременное поддержание. Впрочем, у CCD есть и другие достоинства. С самого начала CCD поражали высокой надежностью - тысячи часов безотказной работы, не шли ни в какое сравнение с трубками! Находка, да и только! Все, кто накопил опыт работы с трубочными камерами, понимали, насколько важны перечисленные достоинства CCD.

Увы, опытный образец RCA, доказав практическую возможность создания камер на CCD, продемонстрировал и другое: камеру можно показывать - нельзя использовать! Неприемлемо низкая чувствительность, при том существенно различная в красной, зеленой и синей частях спектра. Еще более настораживала существенная неоднородность чувствительности по полю растра и обилие белых точек - зон сверхчувствительности. Короче говоря, качество изображения оказалось "не съедобным!" Стало ясно - надо совершенствовать технологию производства матриц, чтобы повысить выход бездефектных матриц или с допустимым содержанием дефектов: с равномерной яркостной чувствительностью в пределах определенных допусков. Другие проблемы могли решиться за счет изменения первоначальной конструкции. На примере камеры BVP-5 специалисты Sony показали, что резервы для улучшения CCD велики.

Первые камеры на CCD относились к группе профессиональных, где уровень требований понижен. Потом, пришла очередь си-си-ди-визации портативных и, наконец, студийных вещательных камер. Отвоевывая у трубок одну позицию за другой, CCD отставали по светочувствительности. Но к 90-м годам произошел перелом и CCD обошли трубки по всем параметрам.

Переход на CCD привел к новому этапу миниатюризации камерных головок, что в сочетании с быстрой миниатюризацией в области магнитной видеозаписи позволил создать принципиально новый аппарат -камкордер (CAMera+ reCORDER, т.е. записывающая телекамера).

У читателей нашего журнала CCD постоянно на слуху. Однако мы хотим дать систематический обзор современных CCD, их эволюцию и особенности сегодняшних моделей.

Кое-что о проводимости

Сейчас нелегко сыскать индивидуума, не слышавшего слово "полупроводник". И все же для большинства это нечто вроде "Сусанина": если проводит, то в одну сторону. А это - заблуждение. Для уточнения напомним кое-что о проводимости. Итак, все вещества делится на металлы - вещества, проводящие электрический ток, диэлектрики - вовсе его не проводящие и полупроводники - проводящие "так себе". Поэтому префикс "полу" означает лишь промежуточное положение между проводниками и изоляторами.

Полупроводники образуют обширный класс веществ, но в дело из них пошли не многие. Монокристаллический кремний - база практически всей микроэлектроники. Полупроводники имеют электронную атмосферу, гораздо более разреженную, чем металлы, но способную обеспечить электронную проводимость. Следует помнить, атомы полупроводника не охотно "отдают" валентные электроны - для этого надо приложить соответствующее поле.

В полупроводниках осуществляется еще один тип проводимости- дырочный. Допустим, что из кристаллической решетки каким-то образом выдернут валентный электрон. Образуется область с положительным зарядом, которую физики называют дыркой. Поля дырки недостаточно, чтобы "ограбить" кого-либо из соседей и "поживиться" их электроном. Ситуацию можно изменить, если приложить к кристаллу внешнее поле. Совместного действия полей дырки и внешнего, при его определенной величине может оказаться достаточным, чтобы переманить электрон от соседа со стороны отрицательно заряженного электрода. Образуется новая дырка, но на шаг ближе к отрицательному электроду. Внешне все выглядит так, будто положительно заряженная дырка двинулась в сторону отрицательного электрода.

Каким быть полупроводнику определяют примеси, специально в него вводимые. Одни примеси - доноры - отдают избыточные электроны и создают электронную проводимость (проводимость n-типа). Другие - акцепторы- напротив, активно захватывают валентные электроны, образуя дырочную проводимость (проводимость р-типа).

Теперь посмотрим, что получится, если с помощью диффузии в кремнии созданы две области проводимости п- и р-типов. Между ними образуется так называемый р - п-переход. Процесс происходит следующим образом: избыточные электроны n-области устремляются в р-область, где рекомбинируют на дырках, а дырки устремляются в обратном направлении и рекомбинируют в п-об-ласти. Поскольку донорные и акцепторные атомы неподвижно встроены в кристаллическую решетку полупроводника, по обе стороны от границы раздела областей создаются обедненные носителями области, с избыточным зарядом противоположного знака. Поэтому в тонком слое по обе стороны границы раздела формируется электрическое поле, препятствующее переходу п- и р-носи-телей в чужие пределы. Приложив к кристаллу электрическое поле с большим положительным потенциалом со стороны р-области, можно передать электронам п-области достаточную энергию для преодоления р - п перехода. Так осуществляется инжекция электронов (их в этом случае называют неосновными носителями) в р-область.

CCD - это МОП-конденсатор.

МОП - это трехслойная структура "металл-окисел-полупроводник (р-типа)". Поскольку окисел выполняет здесь функции диэлектрика, то речь идет о конденсаторе, где один из электродов заменен на плохой проводник, другой остается хорошим. В этой замене и весь фокус, позволяющий, вместо набора конденсаторов, получить матрицу с зарядовой связью! Что произойдет, если к обычному конденсатору (структура MOM) приложить некоторый потенциал. У отрицательной обкладки соберутся новые электроны и образуется более густая, чем в остальном материале, электронная атмосфера; у положительной- электронная атмосфера окажется разряженной, причем из-за высокой проводимости переходной процесс пройдет быстро и наступит равновесие - сгущенные и разреженные области полностью экранируют приложений потенциал. А теперь посмотрим, что произойдет, если отрицательный электрод - полупроводник р-типа. И здесь электроны устремятся в сто

1 - слой окиси кремния, 2 - электрод  3 - обедненная область, 4 - заземляющая шина,  5 - полупроводник

рону положительного электрода, но их в проводнике р-типа относительно мало. А инжекции электронов из металла препятствует слой окисла - изолятора. Таким образом, появляется некоторая обедненная область с относительно слабым электрическим полем, но достаточным, чтобы удерживать появившиеся заряды. Эту зону часто называют потенциальной ямой. Все рассматриваемые электрические процессы являются линейными, значит, объем обедненной области и ее способность накапливать и уде рживать заряды пропорциональны положительному потенциалу металлического электрода.

Типичная МОП-структура

Теперь посмотрим, что изменится при создании линейки МОП- конденсаторов.

Регистры сдвига на МОП-конденсаторах и трехтактовый перенос зарядов 

Пусть на электроды подается положительный потенциал, а в обедненную зону под первым инжектируются электроны. В регистрах для этого служат входные терминалы, т.е. размещенная рядом с конденсатором структура с р - n-переходом. После инжекции, или по-русски, впрыскивания, электроны будут захвачены потенциальной ямой первого электрода. Подадим на следующий (справа) электрод потенциал в 2 - 3 раза больший. Потенциальная яма под ним окажется глубже и электроны "скатятся" в нее. Теперь можно снизить заряд на втором электроде и  восстановить на первом, а на третий подать высокий. В первый конденсатор можно впрыскивать новый заряд, а со второго перенести его в третий. Эти переключения можно повторять раз за разом, перемещая по регистру заряды, при этом величина перемещаемого заряда сохраняется именно той величины. Таким образом, по регистру, в виде пакетов зарядов, перемещается аналоговая информация. Скорость перемещения зарядов зависит от частоты переключений потенциалов (тактовых импульсов). Если внимательней присмотреться к рассмотренному выше трехтактному режиму переноса зарядов, можно заметить, что между соседними ячейками с зарядами должна находиться пустая. Поэтому на каждый переносимый заряд нужны две ячейки.

Ужасы светочувствительности

Светочувствительность достаточно естественное свойство полупроводниковых материалов. В рассматриваемых случаях важны процессы поглощения в обедненной области. При этом всегда образуется пара: электрон-дырка. Последняя рекомбинирует в толще кремния, а электрон захватывается потенциальной ямой. Число захваченных электронов пропорционально числу поглощенных фотонов, а, следовательно, освещенности. Остается, казалось бы, добавить, что все остальное происходит, как рассмотрено выше -и дело с концом. Но на деле все не так просто. Вернемся к схеме регистра. Обедненную зону следует освещать со стороны металлических электродов, а они то не прозрачны или в виде тонких пленок полупрозрачны. Освещать через толщу полупроводника вовсе не имеет смысла -электроны до ловушек почти не дойдут. Решили вывернуть конструкцию. Вместо металлического электрода использовать кремневую подложку n-типа, а на нее нанести тонкий слой кремния р-типа, через который и освещается обедненная зона. В качестве конденсатора в этом случае применяется р - п переход. При этом используемые тактовые импульсы должны иметь достаточно малый размах, чтобы переход не стал прозрачным для неосновных носителей. Увы, даже тонкий слой кремния р-типа по разному пропускает красную, зеленую и особенно синюю компоненту. Так возникла измучившая разработчиков проблема чувствительности в синей области.

В конце-концов пришлось отказаться от обращенной схемы и вернуться к изначальной МОП-структуре. Правда, сделано было это с одним дополнением: вместо металлического электрода был использован тонкий слой поликремния. Этот материал обладает проводимостью, сочетающуюся с хорошей и главное относительно равномерной прозрачностью в видимой части спектра.

Однострочные CCD датчики.

В телевидении телекинопроекторы - основные потребители однострочных матриц.

Светочувствительный CCD датчик - простейший по конструкции, на его примере, рассмотрим те основные неприятности, какие приходилось преодолевать в процессе эволюции этих формирователей.

Итак, мы осветили цепочку МОП-конденсаторов и накопили, во время экспозиции в потенциальных ямах заряды, пропорциональные освещенности в соответствующих точках. Первая неприятность: потенциальные ямы имеют расплывчатые границы и частично пересекаются. Электронам, особенно близким к областям пересечения трудно выбрать яму для успокоения. Пришлось поставить заслонки или, как их называют, канальные ограничители.

Следующая проблема - считывание информации. Мы не можем переносить заряды на освещенной матрице, иначе на выходном терминале получится маловразумительная каша. Процесс переноса зарядов должен проходить в полной темноте. В конечном итоге информацию мы должны считывать в реальном времени, поэтому одну строку надо считывать в активном интервале, а на экспозицию остается интервал гасящего импульса. Закрыть строку на время считывания можно обтюратором. Но слишком мало времени остается на экспозицию, значит, потребуются высокие уровни освещенности.

Не случайно было подчеркнуто, что реальный темп считывания нужен только на выходе. Поэтому экспозицию разумно увеличить, а с ними и темп переноса зарядов, сокращая время считывания. Однако потребуется накопитель информации, позволяющий восстановить реальное время. Почему бы таким накопителем не стать тому же регистру сдвига на МОП-конденсаторах. Отсюда уже близко к идее линейной матрицы с двумя параллельными цепочками - одна используется в качестве фотодатчика, другая -регистра сдвига.

Линейная матрица с регистром сдвига 

На рисунке упрощенно представлена линейная матрица. Во- первых, реальное число элементов больше, чем мы представили, а субмикронные размеры существенно меньше, кроме того, на рисунке отсутствует ряд обязательных элементов конструкции, о которых поговорим далее. Верхний ряд- это активные светочувствител ьные элементы линейки с прозрачным покрытием, нижний -элементы регистра сдвига, который заканчивается выводным терминалом. В регистре сдвига используются те же элементы, но покрытые непрозрачной пленкой алюминия. Во время активной части строки светочувствительные элементы экспонируются, под ними накапливаются заряды, прямо пропорциональные освещенности того или иного элемента. В интервале гасящего импульса эти заряды сбрасываются - каждый в соседний элемент. В интервале следующей строки они один за другим выводятся из регистра сдвига. Этот процесс управляется тактовыми импульсами по схеме, рассмотренной выше.

Конструкция линейки с регистром сдвига

1 - отводящий сток, 2 - селектор пересветок  3 - светочувствительная ячейка,  4 - канальный ограничитель,  5 - считывающий селектор, 6 - регистр сдвига

Как видно из рисунка, реальная конструкция - сложнее рассмотренной выше. Прежде всего упомянем о канальных ограничителях, отделяющие одну фоточувствительную ячейку от другой. Потенциальные ямы, где скапливаются заряды, частично перекрываются, что ведет к размытию зарядов и ослаблению высокочастотной составляющей. Канальные ограничители отделяют пикселы друг от друга. Они выполнены как р - п-переходы.

Между фотодатчиками и элементами регистра сдвига размещаются считывающие селекторы - это та же обедненная зона, но она препятствует связи ячеек активной зоны и сдвига. Однако при подаче сбрасывающего импульса она становится каналом проводимости, обеспечивающим быструю эвакуацию заряда. Кстати, в ячейках регистра сдвига в качестве электрода формируется зона с n-проводимостью. Ближе к краю формируется зона с р-проводимостью. Переход между пир зонами и используется как вентиль сброса в регистр. По другую сторону от фотодатчиков размещен другой важный элемент конструкции - селектор пересвета. По функциям это диод, который запирает канал сброса зарядов в подложку, отпирающийся при определенном потенциале. Когда уровень освещенности превышает некоторое критическое значение, а, следовательно, накопленный заряд определенную величину, диод открывается и избыточная часть заряда сбрасывается в подложку. Заметим, что такая функция невозможна в ЭЛТ и является несомненным достоинством CCD.

У рассмотренной конструкции существует один важный порок, связанный с образованием тянучек, т.е. тянущихся продолжений от ярких элементов, в полнострочных матрицах их часто называют столбами. Механизм формирования тянучек прост: часть фотонов проникает вглубь подложки, где они рекомбинируют. Появившиеся при этом электроны попадают в ячейки регистра сдвига, "засвечивая" их. Число таких фотонов невелико и след от умеренно ярких деталей практически не заметен. От ярких он проявляется в виде нежелательной помехи. Монокристаллический кремний прозрачен в красной части спектра и менее заметен в синей, в итоге, тянучки имеют красную, а от особенно ярких деталей розовую окраску.

CCD матрицы с покадровым переносом

Исторически первый тип матрицы, использованный еще в опытном образце камеры RCA - это матрица с покадровым переносом. Позже эта матрица была существенно усовершенствованна фирмой Phillips и до сих пор исправно служит в камерах линейки LDK фирмы BTS. Она выполнена в виде двух секций: фоточувствительная и секция накопления, в каждой одинаковое число ячеек..

CCD с покадровым переносом

1 - секция светочувствительных ячеек,  2 - секция накопления,  3 - считывающий терминал

Собственно, это линейные матрицы (без регистров сдвига), которые поставлены вертикально вплотную друг к другу и разделенные, как и во всех случаях ниже, канальными ограничителями. Нижняя часть закрыта непрозрачным экраном - пленкой алюминия. В самом низу размещен считывающий регистр и выходной терминал. Эта матрица работает в полевом режиме. Экспонирование ведется в интервале активной части поля, сброс зарядов в секцию накопления - в интервале полевого гасящего импульса. Выше мы подчеркивали: сброс при включенном освещении ведет к мешанине. Поэтому для матриц с кадровым переносом необходим механический обтюратор. Это один из недостатков. О некоторых особенностях и трудностях считывания информации мы уже упоминали в нашем последнем обзоре по камерам (625, № 2, 1995), как и о маленьких хитростях обхода этой ситуации.

Матрицы с построчным переносом зарядов

Уже в первой своей камере с твердотельными датчиками фирма Sony отказалась от принципа покадрового переноса, как ограничивающего дальнейшие усовершенствования, и предложила построчный перенос. Мы его рассмотрели на примере линейки с регистром сдвига. Матрицу можно представить как набор поставленных вертикально подобных линеек, что хорошо видно на рисунке. Внизу добавлен считывающий регистр и выходной терминал

CCD с построчным переносом зарядов

1 - реестр сдвига,  2 - светочувствительная ячейка,  3 - считывающий регистр

Матрица с построчным переносом, так же как аналогичная линейная, подвержена влиянию ярких объектов: они проявляются в этом случае как "столбы". В видеорепортаже, иногда во внестудийном производстве с какими помехами вполне можно мириться, поэтому в недорогих камерах используют матрицы со строчным переносом.

Матрицы со строчно-кадровым переносом

В камерах высшего класса, где даже "мы за ценой не постоим", столбы, как помеха, нетерпимы. Для этого изобретены гибридные матрицы, объединяющие принципы кадрового переноса, где столбы отсутствуют, и строчного. Рисунок поясняет, как выполнено механическое соединение двух типов матриц.

CCD с построчно-кадровым переносом зарядов

1 - регистр сброса,  2 - фоточувствительные элементы,  3 - фоточувствительная секция,  4 - элементы секции накопления,  5 - секция накопления,  6 - элементы регистра вывода,  7 - регистр вывода

Перенос зарядов и сброс выполняются в интервале гасящего импульса, а считывание из секции накопления в интервале следующей экспозиции. По этой причине особо яркие объекты никак не могут повлиять на заряды, уже эвакуированные в секцию накопления. В итоге сдвигающие регистры позволяют отказаться от обтюратора, а секция накопления гарантирует от влияния засветок. Конструкция матрицы стала сложнее, а потому дороже. Впервые гибридная матрица разработана опять же фирмой Sony и применена в камере BVP-50. Сейчас они широко используются всеми фирмами, выпускающими студийные и профессиональные камеры.

Что такое HAD?

В секциях фотодатчиков с вертикальными регистрами бросается в глаза один недостаток - часть площади секции закрыта защитным экраном. Естественно специалисты задумывались, как уменьшить бесполезную площадь. Решение пришло - и вновь от специалистов Sony - была разработана технология вертикального по отношению к поверхности чипа (монокристалла кремния стандартного размера, на котором формируются нужные зоны) размещения р- и л-зон в том и другом порядке. В итоге фоточувствительная р-зона, щедро насыщенная акцепторами, снизу оказалась подпертой п-зоной. Этим сформирована компактная, резко ограниченная зона захвата заряда, при этом п - р-переход прозрачен для электронов, рожденных в обедненной зоне, расположенной ниже, и не прозрачен для захваченных зарядов. Это решение позволило увеличить эффективность захвата заряда диодной ловушкой. К слову, аббревиатура HAD разворачивается так: Hole Accumulated Diode или Диодный накопитель дырок.

Резкие границы накопителя позволили максимально сблизить его с потенциальной ямой регистра сдвига, р-зона накопления которого лежит под n-зоной и ниже накопителя зарядов фотодатчика. В итоге сток сброса ориентирован почти вертикально, а не горизонтально как в уже рассмотренных случаях. То же самое можно было бы сказать и о диоде сброса электронов пересветки - он и соответственно направление сброса зарядов стали вертикальными. Добавим, что в нижней части чипа образован n-слой. Туда отправляются избыточные электроны и паразитные глубинные. В итоге, существенно уменьшились размеры ячеек регистра сдвига и разделяющий промежуток. Попутно ослаблено влияние многих других отрицательных факторов. Рассмотрены новации потребовали серьезного усложнения технологии производства матриц.

Электронный затвор

Вертикальная ориентация диода сброса избыточных зарядов, как и их стока, позволили создать новую функцию электронного затвора. Чем полезен такой затвор, вероятно, не надо объяснять нашим читателям. Прокомментируем процесс его работы. Допустим, мы через 1/100 хотим прервать экспозицию. Именно через этот промежуток времени импульс управления стоком в регистр должен сбросить туда накопленное. Сразу же за этим на эпитаксиальный п-слой подается потенциал, который открывает диод сброса в подложку даже при отсутствии в накопителе зарядов. Этот потенциал поддерживается до конца экспозиции. Регулируя длительность управляющих импульсов можно менять время срабатывания затвора. Добавим к этому, что в электронном затворе реализован стандартный дискретный ряд срабатывания вплоть до 1/2000 и плавная перестройка, обычно используемая при съемках с экрана телевизора или компьютерного дисплея. Электронный затвор позволяет бороться с такой известной "бякой", как съемки при импульсном освещении.

Что такое HAD, но теперь Hyper?

И вновь отличилась Sony! Им пришла в голову простая мысль: покрыть каждый пиксел своей микролинзой. Здравомыслящие сразу бы отказались от интересной, но не понятно как осуществимой идеи. Специалисты Sony показали, что идея реальна. Они разработали остроумную технологию покрытия матрицы слоем с микролинзами над фотодатчиками. Так и появился Hyper HAD! Микролинзы фокусируют свет в зону накопления, чем способствуют его большей "усвояемости", и собирают свет с площади, превышающей площадь фотодатчика, сокращая светобесполезную поверхность. В итоге - почти двукратное увеличение светочувствительности матрицы. Вот и все!

Оптический фильтр нижних частот

Это необходимый элемент при работе с матрицей CCD . Все дело в тайнах дискретизации. Твердотельный датчик формирует сигналы, дискретизованные не только по строкам, но и поэлементно. В игру вступают определенные правила, за нарушение которых приходиться расплачиваться безнадежно испорченной картинкой. Дело в том, что минимальные размеры деталей изображения должны превышать некоторую величину, точно связанную с пространственным шагом дискретизации, роль которого выполняет размер пиксела. Если условия соблюдены, то пространственные спектры деталей не перекрываются - и все хорошо. Но если в изображении окажутся детали, меньшие допустимых, спектры начнут перекрываться. В этом случае при нелинейном преобразовании сигналов в матрицы перекрывающиеся зоны спектров образуют биения на разностных частотах, смещенным к низким частотам. Чаще всего они проявляются в виде муаров. Поэтому матрице предшествует фильтр нижних частот. Обычно это пластинка, приклеиваемая к выходным торцам цветоделительного блока. Пластинки изготавливаются из любого анизотропного кристалла. На практике чаще всего применяются одноосные кристаллы. Оптические фильтры используют хорошо известный в кристаллооптике эффект двойного лучепреломления.

Эффект двойного лучепреломления

Для рассматриваемого применения наиболее эффективны срезы кристалла, где оптическая ось параллельна пластине, а луч падает ортогонально, как показано на рисунке. В любой анизотропной среде неполяризованный световой луч распадается на два с ортогональными направлениями поляризации. В нашем случае это будет ординарный или обыкновенный луч, он поляризован ортогонально плоскости рисунка. Другой - экстраординарный или необыкновенный, он поляризован вдоль оптической оси. К нему относится термин "двойное лучепреломление". Фазовый фронт этого луча распространяется в одном направлении (в нашем варианте вместе с обыкновенным лучом), а энергия или луч в другом. Поэтому лучи, а значит и переносимые ими изображения расщепляются на расстояние, равное произведению угла сноса на толщину пластины. Сам угол сноса пропорционален разности коэффициентов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Обычно используют несколько таких пластин, например 4, где оси развернуты на 45 град, по отношению друг к другу, или, скажем, 6 с разворотом осей на 30 град. Задача сводится к равномерному покрытию точками сдвига минимально разрешенной области. При преобразовании в фотодатчике произойдет усреднение сигнала по площади сдвигов, что вычеркнет или существенно ослабит малые детали, а следовательно и опасность возникновения муаровых помех.

Итак, все рассмотренные типы CCD матриц используются в современных телекамерах. Различаясь по сложности технологии изготовления, они соответственно различны по стоимости. Надо сказать, что стоимость цветоделительного блока с матрицами - это добрая половина стоимости всей камеры. Поэтому не практично применять самые лучшие, но и самые дорогие, матрицы в тех видах телевизионного производства, где требования к качеству изображения понижены. Ныне выпускаются матрицы, отвечающие действующим стандартам, с форматами 4:3 и 16:9, а также предназначенные для ТВЧ. Словом, выбор богатый - на все вкусы и потребности!