устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения

Формула изобретения

Устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения, выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее матрицу входных устройств, которая выполнена из фрагментов, состоящих из четырех входных устройств, каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, а также выходную диффузионную область, которые образуют цепочку зарядно связанных элементов, столбцовую шину считывания, причем затвор накопления, затвор переноса, выходная диффузионная область выполнены общими для всех входных устройств фрагмента, выходная диффузионная область соединена со столбцовой шиной считывания, кроме того, содержит формирователь строчных управляющих напряжений, многовходовой коммутатор, две шины управления входными затворами, шину управления затвором накопления, шину управления затвором переноса, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит две шины управления входными затворами, причем каждый входной затвор подсоединен к отдельной шине управления входным затвором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.

Известно устройство считывания фотосигналов на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения [Авторское свидетельство СССР №1625292, опубликовано БИ №29, 1995 г.]

Устройство, выполненное на полупроводниковой подложке, содержит матрицу входных устройств на приборах с зарядовой связью, а каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика зарядно связанные входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, выходную диффузионную область, столбцовую шину считывания, формирователь строчных управляющих напряжений, многовходовой коммутатор.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на входной затвор, затвор накопления, на входной диффузионной области, соединенном с ней фотоприемнике устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором. Часть тока, текущего через фотоприемник, инжектируется в потенциальную яму под затвором накопления. При подаче напряжения на затвор переноса информационные заряды соответствующей строки параллельно передаются в столбцовые шины считывания и далее в многовходовой коммутатор.

Недостаток такого устройства заключается в том, что площадь и, следовательно, зарядовая емкость затвора накопления ограничивает использование таких устройств в системах с высоким уровнем фонового излучения.

Известно также устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения [Ли И.И., патент РФ №2119697, приоритет от 07.02.1996 г., Бюл. №27 от 27.09.98 г.].

Устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения, выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее матрицу ячеек входных устройств, каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, выходную диффузионную область, образующие цепочку зарядно связанных элементов, столбцовую шину считывания, матрица входных устройств выполнена из фрагментов, состоящих из 4 ячеек входных устройств, затвор накопления, затвор переноса, выходная диффузионная шина выполнены общими для всех ячеек фрагмента, выходная диффузионная шина соединена с столбцовой шиной считывания, формирователь строчных управляющих напряжений, многовходовой коммутатор, две шины управления входными затворами, шина управления затвором накопления, шина управления затвором переноса.

Устройство работает следующим образом. При подаче управляющих напряжений на шины управления входными затворами, затвором накопления на одной из входных диффузионных областей фрагмента входных устройств и, соответственно, на подсоединенном к ней фотоприемнике устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором, на который в этом цикле считывания подается открывающее напряжение. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под входным затвором в потенциальную яму под затвором накопления. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса информационные заряды параллельно, из всех фрагментов строки матрицы входных устройств передаются в выходные диффузионные области и столбцовые шины считывания. В следующем цикле считывания открывающее напряжение подается на другой входной затвор фрагмента и считывается информация с фотодиодов, подсоединенных к соответствующей входной диффузионной области фрагмента матрицы входных устройств.

Таким образом за четыре цикла считывания считываются фотосигналы со всей матрицы фотоприемников. Данное устройство является ближайшим к предлагаемому техническому решению.

Недостаток такого устройства заключается в том, что выбор ячейки входного устройства фрагмента осуществляется двумя входными затворами. Фрагмент входных устройств содержит 8 входных затворов. Эти затворы занимают значительную часть площади фрагмента, что приводит к снижению зарядовой емкости затвора накопления и, соответственно, входных устройств, что снижает чувствительность ИК-фотоприемных устройств на их основе.

Известно, что чувствительность ИК-фотоприемных устройств пропорциональна корню квадратному от времени накопления и, следовательно, зарядовой емкости устройств ввода. В простейшем режиме считывания время накопления равно времени считывания одной из ячеек фрагментов матрицы, то есть 1/4 времени считывания всей матрицы фотоприемников. Необходимость управления двумя входными затворами существенно усложняет блок формирования строчных управляющих напряжений при реализации режима считывания с регулированием времени накопления.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности фотоприемного устройства, состоящего из матрицы ИК-фотоприемников и устройства считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников.

Технический результат достигается тем, устройство считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения, выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее матрицу входных устройств, которая выполнена из фрагментов, состоящих из 4 входных устройств, каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, а также выходную диффузионную область, которые образуют цепочку зарядно связанных элементов, столбцовую шину считывания, причем затвор накопления, затвор переноса, выходная диффузионная область выполнены общими для всех входных устройств фрагмента, выходная диффузионная область соединена со столбцовой шиной считывания, кроме того, содержит формирователь строчных управляющих напряжений, многовходовой коммутатор, две шины управления входными затворами, шину управления затвором накопления, шину управления затвором переноса, отличается тем, что оно дополнительно содержит две шины управления входными затворами, причем каждый входной затвор подсоединен к отдельной шине управления входным затвором.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства считывания на приборах с зарядовой связью для двухмерных приемников изображения.

На фиг.2 приведена диаграмма управляющих напряжений.

На фиг.1 изображены 1, 2, 3 и 4 - контактные площадки к фотоприемникам и входным диффузионным областям первого, второго, третьего и четвертого входных устройств фрагмента соответственно, 5, 6, 7 и 8 - входные затворы первого, второго, третьего и четвертого входных устройств фрагмента соответственно, 9 - затвор накопления фрагмента, 10 - затвор переноса фрагмента, 11 - выходная диффузионная область фрагмента, 12, 13 - первая и вторая шины управления входными затворами первого и второго входных устройств фрагмента, 14 и 15 - первая и вторая дополнительные шины управления входными затворами третьего и четвертого входных устройств фрагмента, 16 - шина управления затвором накопления входных устройств фрагмента, 17 - шина управления затвором переноса входных устройств фрагмента, 18 - формирователь строчных управляющих напряжений, 19 - столбцовая шина считывания, 20 - многовходовой коммутатор.

В первом устройстве ввода фрагмента входная диффузионная область 1, входной затвор 5, затвор накопления 9, затвор переноса 10, выходная диффузионная область 11 образуют цепочку зарядно связанных элементов. Во втором устройстве ввода фрагмента входная диффузионная область 2, входной затвор 6, затвор накопления 9, затвор переноса 10, выходная диффузионная область 11 образуют цепочку зарядно связанных элементов. В третьем устройстве ввода фрагмента входная диффузионная область 3, входной затвор 7, затвор накопления 9, затвор переноса 10, выходная диффузионная область 11 образуют цепочку зарядно связанных элементов. В четвертом устройстве ввода фрагмента входная диффузионная область 1, входной затвор 5, затвор накопления 9, затвор переноса 10, выходная диффузионная область 11 образуют цепочку зарядно связанных элементов. Выходная диффузионная область 11 электрически соединена с общей для всего столбца фрагментов столбцовой шиной считывания 19. Столбцовая шина считывания соединена с соответствующим входом многовходового коммутатора 20.

Устройство работает следующим образом. При подаче высокого напряжения на первую шину управления 12, шину управления затвором накопления 16, на входной диффузионной области 1, входном устройстве фрагментов, контактных площадках к фотоприемникам и, соответственно, на подсоединенных к ним фотоприемниках устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под первым входным затвором 5. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под входным затвором в потенциальную яму под затвором накопления. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса 17 информационные заряды параллельно, из всех входных устройств строки фрагментов матрицы передаются через затвор переноса 10 в выходные диффузионные области 11 и столбцовые шины считывания 19. Многовходовой коммутатор 20 обеспечивает усиление и последовательное считывание сигналов со строки фрагментов на общий выход.

Во втором цикле считывания высокое напряжение подается на вторую шину управления 13, шину управления затвором накопления 16, на входной диффузионной области 2 входных устройств фрагментов и, соответственно, на подсоединенном к ней фотоприемнике, устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под вторым входным затвором 6. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под входным затвором в потенциальную яму под затвором накопления. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса 17 информационные заряды параллельно, из всех фрагментов строки матрицы входных устройств передаются через затвор переноса 10 в выходные диффузионные области 11 и столбцовые шины считывания 19.

В третьем цикле считывания высокое напряжение подается на первую дополнительную шину управления 14, шину управления затвором накопления 16, на входной диффузионной области 3 фрагмента входных устройств и, соответственно, на подсоединенном к ней фотоприемнике, устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под третьим входным затвором 7. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под входным затвором в потенциальную яму под затвором накопления. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса 17 информационные заряды параллельно, из всех фрагментов строки матрицы входных устройств передаются через затвор переноса 10 в выходные диффузионные области 11 и столбцовые шины считывания 19.

В четвертом цикле считывания высокое напряжение подается на первую дополнительную шину управления 15, шину управления затвором накопления 16, на входной диффузионной области 4 фрагмента входных устройств и, соответственно, на подсоединенном к ней фотоприемнике, устанавливается напряжение смещения, определяемое поверхностным потенциалом под четвертым входным затвором 8. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под входным затвором в потенциальную яму под затвором накопления. Далее при подаче управляющего напряжения на шину управления затвором переноса 17 информационные заряды параллельно, из всех фрагментов строки матрицы входных устройств передаются через затвор переноса 10 в выходные диффузионные области 11 и столбцовые шины считывания 19. Последовательность поступления управляющих напряжений на первую шину управления 12, на вторую шину управления 13, на первую дополнительную шину управления 14, на вторую дополнительную шину управления 15 определяется формирователем строчных управляющих напряжении 18.

Важно отметить, что последовательность считывания входных устройств фрагмента входных устройств, определяемая последовательностью подачи управляющих напряжений на шины управления входными затворами 12, 13, 14 и 15, не имеет принципиального значения и может быть произвольной.

Преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в следующем:

1. Уменьшение количества затворов во фрагменте входных устройств позволяет существенно увеличить зарядовую емкость затвора накопления. Известно, что обнаружительная способность растет как корень квадратный из времени накопления, увеличение зарядовой емкости затвора накопления обеспечивает возможность увеличить время накопления и, следовательно, обнаружительную способность ИК ФПУ на их основе.

2. Выбор считываемых входных устройств фрагмента и соответственно фотосигналов с подсоединенных с ним фотоприемников осуществляется одним управляющим напряжением, что существенно упрощает блок формирователя строчных управляющих напряжений, в частности упрощает реализацию важного для ИК ФПУ режима работы с регулированием времени накопления.