Прибор с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС, англ. Charge-Coupled Device, CCD) — это полупроводниковое устройство, предназначенное для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал. ПЗС представляет собой матрицу светочувствительных элементов (фотодиодов или конденсаторов), выполненных на основе кремниевой подложки, в которых накопленный электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света, последовательно переносится (сдвигается) по цепочке ячеек с помощью тактовых импульсов напряжения. Основное применение ПЗС-матриц — в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, сканерах, астрономических телескопах и медицинских приборах (например, в эндоскопах и флюорографах) в качестве светочувствительных датчиков.

История

Принцип работы прибора с зарядовой связью был впервые предложен и реализован в 1969 году в лабораториях компании Bell Labs (США) сотрудниками Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом. Первоначально ПЗС разрабатывался как устройство для хранения и переноса информации (аналоговый регистр сдвига), но быстро выяснилась его способность регистрировать свет. В 1970 году был создан первый прототип ПЗС-матрицы размером 8×8 пикселей.

В 1973 году компания Fairchild Semiconductor выпустила первую коммерческую ПЗС-матрицу размером 100×100 пикселей. В 1975 году компания Kodak разработала первый цифровой фотоаппарат на основе ПЗС-матрицы. В 1980-х годах ПЗС-матрицы начали активно применяться в телевизионных камерах (заменив вакуумные передающие трубки), а в 1990-х годах — в цифровых фотоаппаратах потребительского класса.

В 2009 году Уиллард Бойл и Джордж Смит были удостоены Нобелевской премии по физике «за изобретение полупроводниковой схемы с зарядовой связью (CCD-сенсора)».

Устройство и принцип действия

Структура ПЗС-матрицы

Основой ПЗС-матрицы является подложка из монокристаллического кремния p-типа (с дырочной проводимостью). На её поверхность нанесён слой диоксида кремния (SiO₂), выполняющий роль изолятора. Поверх оксидного слоя расположены электроды (затворы) из поликристаллического кремния (поликремния), образующие матрицу ячеек.

Каждая ячейка ПЗС представляет собой конденсатор МОП-структуры (металл-оксид-полупроводник). Под воздействием положительного напряжения, поданного на затвор, в приповерхностном слое полупроводника под электродом образуется обеднённая зона (потенциальная яма), в которой могут накапливаться электроны — носители заряда, генерируемые светом.

Фотогенерация и накопление заряда

При попадании фотонов света на кремниевую подложку происходит внутренний фотоэффект: фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны кремния (1,12 эВ), генерируют электрон-дырочные пары. Электроны, как неосновные носители, притягиваются к положительно заряженному затвору и накапливаются в потенциальной яме. Количество накопленных электронов пропорционально интенсивности света и времени экспозиции (накопления).

Перенос заряда (сдвиг)

После окончания экспозиции накопленные заряды последовательно переносятся от ячейки к ячейке с помощью системы тактовых импульсов, подаваемых на электроды. Обычно используется трёхфазная или четырёхфазная система управления. В трёхфазной системе электроды объединены в группы по три (фазы A, B, C). Изменяя напряжение на фазах в определённой последовательности, можно «переливать» заряд из одной потенциальной ямы в соседнюю, расположенную под следующим электродом. Таким образом, зарядный пакет последовательно перемещается по строке матрицы к выходному регистру.

Выходной регистр и преобразование в напряжение

Выходной регистр представляет собой линейку ПЗС-ячеек, расположенную на краю матрицы. После того как заряды из всех строк матрицы последовательно переносятся в выходной регистр, они поочерёдно поступают на выходной усилитель. Усилитель преобразует величину заряда в напряжение, которое затем оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для получения цифрового изображения.

Классификация

По структуре

• Полнокадровые матрицы (Full-Frame, FF) — вся площадь матрицы является светочувствительной. Требуют механического затвора для перекрытия света во время переноса зарядов.
• Кадровые матрицы (Frame-Transfer, FT) — имеют две секции: светочувствительную и экранированную (накопительную). После экспозиции заряд быстро переносится в экранированную секцию, что позволяет работать без механического затвора.
• Межстрочные матрицы (Interline-Transfer, IT) — имеют чередующиеся светочувствительные и экранированные колонки. Заряд переносится в соседнюю экранированную колонку, затем считывается. Обеспечивают высокое быстродействие, но имеют меньшую светочувствительность из-за частичного экранирования.

По способу цветоделения

• Монохромные ПЗС — регистрируют яркость света без цветовой информации.
• Цветные ПЗС — используют фильтр Байера (мозаичный фильтр из красных, зелёных и синих ячеек), расположенный поверх матрицы. Цветное изображение восстанавливается алгоритмами демозаики.
• Трёхматричные системы — используются в профессиональных видеокамерах. Свет разделяется на три спектральных канала (R, G, B) с помощью призмы, и каждый канал регистрируется отдельной монохромной ПЗС-матрицей.

Характеристики

Основные характеристики ПЗС-матриц:

• Разрешение — количество пикселей (например, 1920×1080, 4000×3000). Определяет детализацию изображения.
• Размер пикселя — от 1,1 до 10 мкм и более. Влияет на светочувствительность и динамический диапазон.
• Светочувствительность — способность регистрировать слабые световые потоки. Измеряется в лк·с или в квантовой эффективности (процент падающих фотонов, преобразованных в электроны).
• Динамический диапазон — отношение максимального неискажённого сигнала к уровню шума. У современных ПЗС достигает 70–90 дБ.
• Тёмновой ток — ток утечки, возникающий в отсутствие освещения. Снижает качество изображения при длительных экспозициях.
• Шум считывания — шум, вносимый выходным усилителем и АЦП.
• Скорость считывания — частота, с которой могут быть считаны заряды из матрицы (кадровая частота).

Применение

Цифровая фотография и видеосъёмка

ПЗС-матрицы широко применяются в цифровых фотоаппаратах (особенно в зеркальных и среднеформатных), видеокамерах, в том числе в профессиональных кинокамерах. Благодаря высокой светочувствительности и низкому уровню шума они обеспечивают высокое качество изображения при слабом освещении.

Астрономия

В астрономии ПЗС-матрицы используются в телескопах для получения изображений небесных объектов. Их высокая квантовая эффективность (до 90% в некоторых диапазонах) и способность к длительным экспозициям позволяют регистрировать чрезвычайно слабые световые потоки.

Медицина

ПЗС-матрицы применяются в эндоскопии, флюорографии, маммографии и других медицинских визуализирующих системах. Они обеспечивают высокое разрешение и чувствительность, необходимые для диагностики.

Научные исследования

ПЗС-сенсоры используются в спектроскопии, микроскопии, в системах регистрации частиц (например, в детекторах черенковского излучения) и в других научных приборах.

Промышленность

В промышленности ПЗС-матрицы применяются в системах технического зрения для контроля качества продукции, в сканерах штрих-кодов, в измерительных приборах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая светочувствительность и квантовая эффективность.
• Низкий уровень шума (особенно при низких температурах).
• Широкий динамический диапазон.
• Высокая однородность чувствительности по площади матрицы.
• Возможность длительных экспозиций (вплоть до нескольких часов в астрономии).

Недостатки

• Относительно высокая стоимость производства по сравнению с КМОП-матрицами.
• Более высокое энергопотребление.
• Требуют сложной системы тактовых импульсов и высокого напряжения для переноса зарядов.
• Меньшая скорость считывания по сравнению с КМОП-матрицами.
• Чувствительность к пересветке (blooming) — при превышении ёмкости потенциальной ямы заряд может перетекать в соседние ячейки, создавая артефакты.

Сравнение с КМОП-матрицами

Начиная с 2000-х годов, КМОП-матрицы (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) стали активно вытеснять ПЗС из потребительского сегмента (смартфоны, компактные фотоаппараты). Основные различия:

В настоящее время ПЗС-матрицы сохраняют преимущество в высокочувствительных и научных приложениях (астрономия, спектроскопия, медицинская визуализация), где требуется минимальный шум и максимальный динамический диапазон.

Интересные факты

• Первая ПЗС-матрица размером 8×8 пикселей имела разрешение всего 64 точки.
• В 2001 году на ПЗС-матрицу компании Kodak был получен первый цифровой снимок с разрешением 16 мегапикселей.
• В астрономии для снижения тёмнового тока ПЗС-матрицы часто охлаждают до температуры −100 °C и ниже с помощью жидкого азота или термоэлектрических охладителей.
• ПЗС-матрицы используются в космических телескопах (например, «Хаббл», «Кеплер») для получения изображений далёких галактик и экзопланет.

Источники

• Бойл У., Смит Дж. «Charge-Coupled Semiconductor Devices». Bell System Technical Journal, 1970.
• Смит Дж. «The Invention of the CCD». Nobel Lecture, 2009.
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 2003.
• Колесников Е. А. «Приборы с зарядовой связью: устройство и применение». — М.: Радио и связь, 1985.
• «CCD vs CMOS: Sensor Technology Comparison». Technical Report, Teledyne DALSA, 2018.