Схемы ячеек ФПМ КМОП.


Пассивная ячейка фотодиодного типа остается фактически неизменной с тех пор, как была предложена в 1967 г. Концепция пассивной ячейки показана на рис. 2.38.

Рис. 2.38. Схема пассивного пиксела и потенциальной ямы.

ТХ - затвор переноса, Col bus - столбцовая шина.

 

Ячейка состоит из фотодиода (МДП-структура с потенциальной ямой) и транзистора выборки. Когда на затвор переноса ТХ поступает импульс, то фотогенерированный заряд, накопленный в фотодиоде, доступен на емкости столбцовой шины. Усилитель накопления зарядов схемы считывания у основания столбцовой шины поддерживает напряжение на шине столбца постоянным и уменьшает kT/С-шум. Когда к фотодиоду обращаются, то напряжение на фотодиоде сбрасывается до напряжения шины столбца, а заряд, пропорциональный оптическому сигналу, преобразуется в напряжение усилителем накопления зарядов. Пассивная ячейка с фотодиодом и с одним транзистором позволяет достичь самого большого значения коэффициента заполнения для данного размера пиксела или наименьшего размера пиксела для заданного значения коэффициента заполнения при одинаковом технологическом КМДП процессе. Второй транзистор выбора иногда добавлялся для двухкоординатной ХУ-адресации. Квантовая эффективность пассивной ячейки (отношение собранных электронов к падающим фотонам) может быть весьма высока из-за большого коэффициента заполнения и отсутствия перекрывающем слоя поликремния, который имеется во многих ПЗС.

Главные проблемы пассивной ячейки - уровень шума считывания и модульность. Типичное значение шума считывания с пассивной ячейкой составляет 250 электронов, а у коммерческих ПЗС это значение менее 20 электронов. Пассивная ячейка также не позволяет увеличивать размеры матрицы и повышать скорость считывания ячеек, так как это приводит к повышению шума считывания.

Ячейка фотодиодного типа приведена на рис. 2.39.

Рис. 2.39. Схема ячейки фотодиодного типа.

VDD - шина питания; RST - транзистор сброса; RS - выбор строки.

 

Напряжение на фотодиоде буферируется истоковым повторителем на шине столбца, выбранном схемой выбора строки RS. Фотодиод сбрасывается транзистором RST.

ФПМ КМОП с ячейками фотодиодного типа имеет высокую квантовую эффективность, поскольку нет покрытия из поликремния. Шум считывания ограничен шумом сброса фотодиода, так как двойную коррелированную выборку трудно реализовать без памяти кадра, и поэтому составляет 75...100 электронов. В ячейке используются три транзистора, а шаг повторения ячеек обычно составляет 15 МРЭ (минимальный размер элемента). Активная ячейка фотодиодного типа является подходящей для большинства применений, требующих средних и низких параметров. Выходной сигнал остается постоянным для того же самого оптического потока, так как уменьшение фоточувствительной области компенсируется увеличением коэффициента усиления преобразования. Значение ОСШ уменьшается с уменьшением размеров пиксела, поскольку шум напряжения сброса пропорционален величине 1/С1/2, где С - емкость фотодиода. Компромисс может быть достигнут за счет изменения коэффициента заполнения пиксела (область фотодиода), динамического диапазона (емкость потенциальной ямы) и коэффициента преобразования заряда в напряжение.

Ячейка фотозатворного типа показана на рис. 2.40.

Рис. 2.40. Схема ячейки фотозатворного типа.

PG - фотозатвор; TX - транзистор переноса; RST - транзистор сброса; RS - выбор строки

 

Заряд сигнала накапливается под фотозатвором. Для считывания выходная плавающая диффузия сбрасывается, и результирующее напряжение измеряется истоковым повторителем. Далее заряд перемещается в выходную диффузию путем подачи импульсов на фотозатвор. Затем воспринимается новое напряжение. Разница между уровнем сброса и уровнем сигнала является выходным сигналом датчика. Схема двойной коррелированной выборки подавляет шум сброса, шум 1/f и РШ из-за изменений порогового напряжения. Передача заряда и двойная коррелированная выборка позволяют снизить уровень шумов.

Фотозатвор и затвор переноса идеально перекрываются, используя двойной поликристаллический процесс. Однако вставка переходной диффузии между фотозатвором PG и транзистором переноса TX позволяет использовать один поликристаллический процесс.

В ячейке фотозатворного типа пять транзисторов, а шаг повторения ячеек составляет 20 МРЭ. Таким образом, чтобы достигнyть шаг повторения пикселов в 10 мкм, должен использоваться 0,5 мкм процесс. При процессе 0,25 мкм возможен шаг повторения пикселов в 5 мкм. Емкость плавающей диффузии имеет типичное значение 10 фФ, что позволяет достичь коэффициента преобразования 10...20 мкВ/e-. Шум последующей схемы составляет 150...250 мкВ, а результирующий шум считывания 10...20 электронов.