Антиблюмінг, або стійкість до локальних пересвіток - Інформатика, програмування
4.1.2.4 Антиблюмінг або стійкість до локальних пересвіток
Через явище фіксації поверхневого потенціалу прихований канал замкнути не можна. Що ж відбуватиметься в осередку ПЗЗ, коли заряд у ньому зростатиме і зростатиме? Повернемося до рис. 2. На ньому показано, що зі зростанням сигнального заряду в потенційній ямі потенціал каналу в ній зменшується, і коли він досягне значення потенціалу в каналі сусіднім електродом, заряд просто почне переливатись через цю незамкнену ділянку каналу в сусідній елемент - причому в обидві сторони. На зображенні це виявляється у вигляді вертикального розпливання яскравих деталей зображення. Це і називається оптичною пересвіткою (blooming), і якщо в системах реєстрації слабких сигналів з ним ще можна миритися (через невисоку ймовірність з ним зіткнутися і можливість змінити час накопичення), то в камерах для ТБ воно абсолютно неприпустимо.
Боротися з блюмінгом можна лише розробкою спеціальної конструкції комірки. Перший спосіб (горизонтальний антиблюмінг) полягає в тому, що вздовж кожного стовпця фоточутливих осередків прокладається вузька стокова область, що знаходиться під великим позитивним потенціалом і відокремлена від накопичуючої сигнальний заряд потенційної ями деяким бар'єром, потенціал каналу в якому (інколи керований окремим) у замкненому каналі, що відокремлює комірки один від одного. У цьому випадку надлишковий заряд буде переливатися в стік, і спотворення сигналу сусідніх елементах не виникає. Якщо використовується спеціальний затвор управління антиблюмінгом, то з'являється можливість примусового очищення заряду з накопичувального осередку навіть без її переповнення, що є не що інше, як електронне регулюванняекспозиції.
Ціною горизонтального антиблюмінгу є деяке зниження коефіцієнта заповнення (область стоку, зрозуміло, не може дати внесок у сигнал), і збільшення розмірів комірки, що для приладів з малим розміром комірки є неприйнятним. У матрицях для ТБ, де розмір комірки, як правило, менше 10 мкм, для боротьби з блюмінгом застосовується інший, дуже витончений спосіб – вертикальний антиблюмінг. При цьому стокова область розташовується не поруч, а під накопичувальним осередком, отже, збільшення площі осередку не потрібно. Осередок тут має структуру не просто n+p, як у звичайному прихованому каналі, а n+pn-, причому середній p-шар служить як би "підкладкою", а власне n-підкладка - стоком антиблюмінгу. Як можна здогадатися, відсутність заряду вертикальний розподіл потенціалу в такій структурі при ступінчастій апроксимації розподілу домішок по глибині буде кусочно-параболічним з одним максимумом і одним мінімумом потенціалу, і при правильному виборі параметрів легування шарів (і при ретельному їх дотриманні в процесі виготовлення!) надлишковий заряд з комірки зливатиметься не вбік, а вниз. Платою за це, крім складної технології, є сильний спад ІЧ чутливості приладу (велика частина ІЧ фотонів, якщо пам'ятаєте, поглинається на помітній глибині від поверхні) та деякий спад у червоній області, втім, прийнятний хвилі. Втрата ж ІЧ чутливості для приладів кольорового телебачення, правда, біда невелика.
Різноманітність ПЗЗ не вичерпується розглянутими у цьому огляді типами. Так, широке поширення знаходять лінійки ПЗЗ - як для зчитування одномірних зображень (наприклад, штрих коди), так і в системах, де є механічна розгортка по одній координаті. Найпростіші приклади - телефакс та сканер. Менш очевиднізастосування – системи спостереження за земною поверхнею з космічних апаратів чи літаків, де використовується рух самого апарату щодо Землі. Як правило, накопичувальними елементами в ПЗЗ-лінійках є фотодіоди; по обидва боки від лінійки накопичувальних елементів розташовуються регістри зчитування (відповідно для парних та непарних елементів – білінійна організація). Номенклатура лінійок, що випускаються зараз, досить широка, а число фоточутливих елементів коливається від 1024 до 8192.
Різновидом приладів для систем з механічною розгорткою є прилади ВЗН - з тимчасовою затримкою та накопиченням. Їх організація тотожна односекційним ПЗЗ з КП, але вони відрізняються режимом тактування по вертикалі: секція тактується безперервно, причому тактова частота підбирається такою, що швидкість переміщення зарядового рельєфу дорівнює швидкості переміщення зображення; при цьому кожен елемент зображення дає внесок в той самий зарядовий пакет, що, очевидно, збільшує чутливість ВЗН в порівнянні зі звичайними лінійками в число рядків разів. Саме ВЗН широко використовуються в космічній апаратурі для спостереження за земною поверхнею. Число рядків у таких приладах коливається від 64 до 256, а кількість елементів по горизонталі – від 1024 до 4096.
А взагалі приймачі зображення – не єдине застосування ПЗЗ. Так, додавши до регістру ПЗС пристрій введення електричного сигналу, ми отримаємо аналогову лінію затримки, причому час затримки визначається як числом елементів регістра, і тактовою частотою, отже, може легко змінюватися. Далі. Як елемент реєстрації зарядового пакета можна використовувати не тільки плаваючу дифузію, але і плаваючий затвор, що характеризується неруйнівним зчитуванням, тобто отримати регістр з відведеннями. Такірегістри є основою трансверсальних фільтрів, що широко застосовувалися, наприклад, в обробці радіолокаційних сигналів.
Не можна сказати, що зараз ПЗС досягли досконалості, хоча за минулі роки в технології їх виготовлення і було досягнуто приголомшливого прогресу. Діапазон приладів, що випускаються, охоплює як мініатюрні матриці з кроком елементів приблизно 3 на 5 мкм (одна з останніх розробок Sony), так і гігантські кристали форматом 5 тис. на 5 тис. елементів і розміром кристала майже 8 на 8 см (фірма DALSA, Канада) . Не за горами і поява однокристальних приладів форматом 8 на 8 тисяч елементів, тоді як зараз прилади надвеликого формату (ці астрономи ненаситні.) збираються з двох або чотирьох окремих кристалів, що монтуються встик на загальну основу.
Зрозуміло, ПЗС має свої проблеми. Найсерйозніша з них – специфічна, ні на що не схожа технологія виготовлення та надзвичайно жорсткі вимоги до однорідності вихідного кремнію та ступеня досконалості технологічного процесу. Якщо при виробництві цифрових приладів розкид параметрів по пластині може досягати декількох кратів без помітного впливу на параметри одержуваних приладів (оскільки робота йде з дискретними рівнями напруги), то в ПЗЗ зміна, скажімо, концентрації домішки на 10% вже помітно на зображенні. Свої проблеми додає і розмір кристала, і неможливість резервування, як і БІС пам'яті, отже дефектні ділянки призводять до непридатності всього кристала. Специфічним обмеженням є і властивий їм за принципом дії послідовний висновок інформації, тоді як у ряді застосувань (наприклад, оптичні системи наведення або пристрої орієнтації космічних апаратів) зручніше мати датчики з довільним опитуванням. Все це призвело до того,що останніми роками помітний інтерес проявляється до т. зв. приладів з активним осередком (APS - active pixel sensors), що виготовляються за стандартною КМОП-технологією. Поки поступаючись своїми параметрами ПЗЗ, ці прилади швидко прогресують. У майбутньому, ймовірно, відбудеться певний поділ "зон впливу" кожного з цих класів приладів, а можливо, з'явиться щось зовсім нове.