| Dispositivos con carga acoplada. Diseño y principios básicos de funcionamiento.
Sergey Ivanovich desconocido CARGA DE DISPOSITIVOS ACOPLADOS. Fuente: revista «Equipos Especiales» Historia de desarrollo Los dispositivos de carga acoplada (CCD) pertenecen a la clase de receptores semiconductores de estado sólido. Los primeros receptores de este tipo fueron los fotodiodos, y ya en los albores de su aparición permitieron dar un gran salto en el campo de la grabación de flujos luminosos e imágenes. Baste mencionar como ejemplo el registro exitoso mediante un fotodiodo del fenómeno de un eclipse solar, observado por científicos berlineses en Egipto en 1911. Ha pasado mucho tiempo desde entonces, los fotodiodos han sido mejorado, pero su principal inconveniente es que son monocanal, pero aún no les ha permitido encontrar una aplicación amplia. A partir de finales de los años 30 comenzaron a aparecer entre los receptores de luz los tubos de televisión, que a finales de los años 70 ocupaban una posición de liderazgo en este ámbito. Se han desarrollado relativamente muchos dispositivos de diversos tipos: orticones, isoconas, segundos, vidicones, plumbicones (en tubos de transmisión de televisión con haz inverso), siliciocones y supersiliconas, disectores (tubos especializados con mayor eficiencia cuántica), etc. Todos ellos tenían una serie de graves desventajas: grandes tamaños, baja eficiencia cuántica (al nivel del 5-10%), pequeño rango dinámico, etc. Un cambio revolucionario en la situación se produjo con la llegada de los receptores semiconductores de estado sólido de nueva generación. La eficiencia cuántica de los detectores de radiación semiconductores modernos alcanza el 95-98%, es decir. Casi todos los fotones incidentes en el dispositivo son detectados por el sistema con un 100 % de probabilidad. En 1970 se crearon los primeros dispositivos de carga acoplada, en los que la tecnología de los receptores de estado sólido tuvo un éxito especial. Inicialmente, los CCD se utilizaron como sustitutos multicanal más eficientes de los fotodiodos y las matrices de fotodiodos. Las matrices CCD registraron con mayor éxito flujos de luz débiles en campos como la microbiofísica, la física química, la física nuclear y la astrofísica. Desde 1975, los CCD comenzaron a introducirse activamente como detectores de luz de televisión. Y en 1989, los detectores CCD se utilizaban en casi el 97% de todos los receptores de televisión. En comparación, diez años antes, los CCD representaban sólo el dos por ciento. Durante mucho tiempo, el uso generalizado de receptores CCD en la tecnología de televisión se vio obstaculizado por deficiencias en las tecnologías de fabricación de elementos fotosensibles: sustratos cristalinos del tamaño requerido. La región receptora de luz no era uniforme en términos de eficiencia cuántica, se observó una notable inestabilidad geométrica (flotante de baja resolución) y varios tipos de ruido estaban presentes tanto en escalas pequeñas (de píxel a píxel) como en escalas espaciales grandes (en escalas de 10 a 100 píxeles).
Solo con el desarrollo y mejora de la tecnología para crear CCD y con un salto significativo en el desarrollo de medios electrónicos relacionados y, en primer lugar, con un aumento en la potencia y velocidad del ADC, se ha hecho posible un uso más amplio de los CCD. Al poner en la línea de producción la producción de chips inicialmente caros, muchas empresas han logrado una fuerte reducción de sus costes. La reducción del coste de las cámaras de televisión basadas en CCD, la reducción de su tamaño y peso, el bajo consumo de energía, la simplicidad y la fiabilidad de funcionamiento han hecho posible su uso no sólo en estudios profesionales, en investigaciones científicas y en costosos sistemas militares. Hoy en día, las cámaras de televisión basadas en matrices CCD se pueden encontrar en diversos ámbitos de producción, en diversos sectores de servicios, en sistemas de seguridad y en la vida cotidiana. La aparición de cámaras de televisión en miniatura que utilizan matrices CCD con tamaños de píxeles de varias micras hizo posible su uso en microcirugía, microbiología y óptica de microvídeo, lo que condujo a la creación de equipos especiales de microvídeo. En la actualidad, la producción en serie de matrices CCD la llevan a cabo varias empresas: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. Me gustaría poner a la par de estos mastodontes la empresa rusa — Empresa científica y de producción «Silar» (antiguo departamento de desarrollo de receptores de imágenes de estado sólido del Instituto Central de Investigación «Electron») de San Petersburgo, que el único fabricante en Rusia de matrices CCD utilizadas con fines científicos, de seguridad y otros.
Principios físicos de funcionamiento de la matriz CCD De forma simplificada, un dispositivo de carga acoplada puede considerarse como una matriz de condensadores MIS estrechamente espaciados. A finales de los años 50 se aprendió a producir estructuras metálicas, aislantes y semiconductores (estructuras MIS). Se encontraron y desarrollaron tecnologías que garantizaban una baja densidad de defectos e impurezas en la capa superficial del semiconductor. Así, ya 10 años después, se sentaron las condiciones previas para la invención de los dispositivos de carga acoplada. Desde un punto de vista físico, los CCD son interesantes porque la señal eléctrica que contienen no está representada por corriente o voltaje, como en la mayoría de los otros dispositivos de estado sólido, sino por carga. Con una secuencia adecuada de pulsos de reloj de voltaje en los electrodos de los condensadores MIS, se pueden transferir paquetes de carga entre elementos adyacentes del dispositivo. Por lo tanto, estos dispositivos se denominan dispositivos de transferencia de carga o de carga acoplada. En la figura. La Figura 1 muestra la estructura de un elemento, un CCD trifásico lineal en modo acumulación. La estructura consta de una capa de silicio tipo p (sustrato), una capa aislante de dióxido de silicio y un conjunto de placas de electrodos. Uno de los electrodos tiene una polarización más positiva que los otros dos y es debajo de él donde se acumula la carga. Un semiconductor tipo p se obtiene añadiendo (dopando) impurezas aceptoras, por ejemplo, átomos de boro, a un cristal de silicio. Una impureza aceptora crea portadores libres con carga positiva (agujeros) en el cristal semiconductor. Los agujeros en un semiconductor tipo p son los principales portadores de carga: allí hay muy pocos electrones libres. Si ahora aplicamos un pequeño potencial positivo a uno de los electrodos de una celda CCD trifásica y dejamos los otros dos electrodos a potencial cero en relación con el sustrato, entonces debajo del electrodo polarizado positivamente un área empobrecida de portadores mayoritarios (agujeros) se formará. Serán empujados más profundamente dentro del cristal. En el lenguaje de los diagramas de energía, esto significa que se forma un pozo de potencial debajo del electrodo.
El funcionamiento de los CCD se basa en el fenómeno del efecto fotoeléctrico interno. Cuando un fotón se absorbe en silicio, se genera un par de portadores de carga: un electrón y un hueco. El campo electrostático en el área del píxel «separa» este par, desplazando el agujero profundamente en el silicio. Los portadores de carga minoritarios, los electrones, se acumularán en un pozo de potencial debajo de un electrodo al que se aplica un potencial positivo. Aquí pueden almacenarse durante bastante tiempo, ya que en la región de agotamiento no hay huecos y los electrones no se recombinan. Los portadores generados fuera de la región de agotamiento se mueven lentamente: se difunden y normalmente se recombinan con la rejilla antes de ser golpeados por el gradiente de campo de la región de agotamiento. Los portadores generados cerca de la región de agotamiento pueden difundirse lateralmente y caer debajo del electrodo adyacente. En los rangos de longitud de onda roja e infrarroja, los CCD tienen peor resolución que en el rango visible, ya que los fotones rojos penetran más profundamente en el cristal de silicio y el paquete de carga se ve borroso. La carga acumulada debajo de un electrodo se puede transferir en cualquier momento al electrodo adyacente si se aumenta su potencial, mientras que el potencial del primer electrodo disminuye (ver Fig. 2). La transferencia en un CCD trifásico se puede realizar en una de dos direcciones (izquierda o derecha, según las figuras). Todos los paquetes de carga de la línea de píxeles se transferirán en la misma dirección simultáneamente. Se obtiene una matriz bidimensional (matriz) de píxeles utilizando canales de parada que dividen la estructura de electrodos del CCD en columnas. Los canales de parada son áreas estrechas formadas mediante técnicas tecnológicas especiales en la región cercana a la superficie, que evitan que la carga se propague debajo de columnas adyacentes.
Tipos y estructura de matrices CCD para sistemas CCTV La mayoría de los tipos de matrices CCD fabricadas industrialmente están destinadas a su uso en televisión, y esto se refleja en su estructura interna. Como regla general, estas matrices constan de dos áreas idénticas: una zona de acumulación y una zona de almacenamiento. El dispositivo se muestra esquemáticamente en la Fig. 3.
Según el tamaño de las áreas de almacenamiento y acumulación, las matrices se dividen en 2 tipos:
También existen matrices en las que no existe una sección de almacenamiento, y luego la transferencia de filas se realiza directamente a través de la sección de acumulación. Obviamente, para que tales matrices funcionen, se requiere un obturador óptico. La zona de almacenamiento está protegida de la luz mediante un revestimiento opaco. Durante el recorrido inverso del haz de escaneo vertical de un monitor de televisión, la imagen formada en el área de acumulación se transfiere rápidamente al área de almacenamiento y luego, mientras se expone el siguiente cuadro, se lee línea por línea en la frecuencia de escaneo horizontal en el registro de desplazamiento de salida. Durante el escaneo horizontal inverso se produce una transferencia de línea paralela al registro de lectura. Los paquetes de carga salen del registro de desplazamiento uno tras otro, secuencialmente a través de un amplificador de salida ubicado en el mismo cristal de silicio. En este nodo, la carga se convierte en voltaje para su posterior procesamiento de señales mediante equipos electrónicos externos. Estos dispositivos se denominan CCD de transferencia de cuadros. Se utilizan ampliamente en equipos de vídeo domésticos, especialmente en equipos de vídeo para aficionados, debido a sus bajos precios. Se pueden utilizar dispositivos de transferencia de fotogramas para filmar en condiciones de buena iluminación. El uso de estos CCD permite el uso de cámaras de vídeo sin costosos obturadores mecánicos. Los CCD diseñados para aplicaciones con poca luz generalmente se fabrican sin un área de almacenamiento y, a menudo, tienen dos registros de desplazamiento en lados opuestos del dispositivo, como el CCD Tektronix TK512. La imagen se puede desplazar a cualquiera de estos registros, que pueden diferir en el diseño del nodo de salida. Normalmente, uno de ellos está optimizado para velocidades de lectura lentas y el otro para velocidades de lectura rápidas. Durante la emisión de señales, dicha matriz debe estar protegida de la luz. Para ello se utilizan con mayor frecuencia obturadores mecánicos. Philips produce, por ejemplo, CCD con escaneo entrelazado de buena calidad y diseño moderno. Las cámaras de televisión de las series LTC 03, LTC 04 están equipadas con dichas matrices. Así, la cámara de televisión LTC 0350 está equipada con un obturador electrónico automático de 1/50 — 1/100000 seg y funciona con un formato de matriz de 1/3 de pulgada. y un tamaño de 752×582 píxeles. Los CCD más simples en diseño consisten en una estructura de electrodo depositada directamente sobre una capa aislante formada en la superficie de una oblea de p-silicio dopado uniformemente. La carga se acumula y se transfiere directamente a la capa cercana a la superficie del semiconductor. Estos dispositivos se denominan CCD de canal de superficie. La capa superficial se caracteriza por una gran cantidad de defectos, lo que afecta negativamente la eficiencia de la transferencia de carga. Las cargas quedan atrapadas en los defectos de la capa superficial y se liberan lentamente. Esto da como resultado imágenes borrosas. Los defectos en la capa superficial también pueden emitir cargas espontáneamente, lo que provoca un aumento de la señal oscura (corriente). Las condiciones de la superficie son un factor que limita el rendimiento de los CCD. Es imposible deshacerse por completo de los estados superficiales, pero es posible mejorar significativamente las características del dispositivo almacenando y transmitiendo paquetes de carga a cierta distancia de la superficie del cristal, es decir, formando un canal de transferencia volumétrico. Este resultado se puede lograr si se crea una fina capa n debajo del óxido sobre un sustrato tipo p. Estos dispositivos se denominan CCD de canal volumétrico. Un razonamiento similar es válido con respecto al diseño del amplificador de salida, ya que Los defectos superficiales pueden aumentar considerablemente el ruido de un amplificador. El amplificador de salida con canal envolvente tiene características significativamente mejores. El espesor de la parte funcional de los dispositivos de carga acoplada es de unas pocas micras. Por regla general, se fabrican a partir de películas semiconductoras muy delgadas cultivadas sobre una base relativamente gruesa: un sustrato. Se han desarrollado varios métodos para cultivar películas sobre sustratos, denominados colectivamente epitaxiales.El término “epitaxia” se compone de dos palabras griegas: “epi” (sobre, encima) y “taxis” (disposición en orden). Un término muy apropiado, que nos recuerda que estamos hablando de hacer crecer una capa de material monocristalino (ordenado) sobre un sustrato. Las películas epitaxiales crecidas están mucho menos contaminadas por impurezas extrañas. Durante el proceso de epitaxia, es posible un dopaje estrictamente controlado de la capa en crecimiento. Electrodos de matriz CCD Los electrodos CCD se fabricaban con mayor frecuencia en una sola capa de metal durante algún tiempo después de su invención. Se depositó por evaporación sobre el dispositivo una capa de aluminio de aproximadamente 1 µm de espesor. Luego se formaron electrodos mediante fotolitografía. La etapa más crítica en el ciclo tecnológico de fabricación de una estructura de un solo nivel de este tipo es el grabado de los espacios entre electrodos. Para garantizar una buena transferencia de paquetes de carga, es necesario que los pozos de potencial de los electrodos vecinos se superpongan. La profundidad del pozo de potencial depende del grado de dopaje de silicio y de la magnitud del potencial aplicado al electrodo. Los valores típicos están en unidades de micras. De ello se deduce que los espacios entre electrodos no deberían ser mayores que unas pocas micras. La longitud total de estos estrechos espacios en dispositivos grandes es bastante grande. Para un material de sustrato ligeramente dopado (la concentración de átomos aceptores es de aproximadamente 1015 1/cm3, el espesor del óxido es de 0,1 μm y la oscilación moderada del pulso de reloj es de aproximadamente 10 V), la capa de agotamiento penetra el silicio hasta una profundidad de aproximadamente 1 µm. Recuerde que cada centímetro cúbico de un sólido contiene aproximadamente 1022 átomos. La concentración de 1015 átomos de impureza en 1 cm3 corresponde a 1 átomo de impureza por cada 10 millones de átomos de Si. Está claro que cualquier cortocircuito accidental de electrodos adyacentes que se produzca durante una de las operaciones del ciclo tecnológico desactivará completamente el dispositivo. El desarrollo posterior de la tecnología CCD tuvo como objetivo crear estructuras libres de las deficiencias de las primeras tecnologías y trabajar con voltajes de control más simples. Los P3S para uso como receptores de imágenes se fabrican con electrodos de polisilicio (silicio depositado a partir de la fase gaseosa). Una vez dopado con boro o fósforo para lograr una resistencia suficientemente baja, se puede utilizar como capa conductora. La oxidación térmica del polisilicio permite obtener un dieléctrico interfacial de alta calidad y su transparencia facilita el uso de CCD como receptores de imágenes. El uso de esta tecnología hizo posible registrar la luz no desde el lado de los electrodos (este tipo de registro tiene muchas desventajas, ya que la señal luminosa útil es parcialmente viñeteada por los electrodos), sino desde el lado opuesto. Estas matrices se denominan retroiluminadas.
Gracias al uso de las últimas tecnologías de alta precisión en la fabricación de CCD, estos receptores de radiación se han convertido en dominantes en los sistemas de televisión y los han llevado a un nivel superior. nivel fundamentalmente nuevo, ampliando significativamente la funcionalidad de los CCD y haciéndolos disponibles a un costo para un uso generalizado. Hablaremos sobre las propiedades más importantes, las características básicas de los CCD y los sistemas de televisión basados en ellos en los siguientes números. de la revista. |
