Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть вторая)

После прочтения предыдущей части у нашего читателя могло сложиться впечатление, что ПЗС-матрица – это некий «чёрный ящик», выдающий «электронный негатив» после того, как на его регистрирующую поверхность было спроецировано созданное объективом световое изображение, и что на качество снимка влияет исключительно размер сенсора.

Той же точки зрения придерживаются продавцы цифровой фототехники, мягко, но настойчиво подталкивающие потенциального покупателя к приобретению модели с как можно более крупногабаритной матрицей, даже если объективных причин для такой покупки нет. Ещё чаще в качестве «наживки» для клиента выступают разного рода «уникальные разработки», использованные при создании матрицы, которые, как ни странно, никем из прочих производителей не применяются.

Начинающему фотолюбителю трудно отличить рекламные обещания от действительно эффективных инженерных находок. В настоящей статье будет сделана попытка «отделить зерна от плевел», однако для начала необходимо ознакомиться с базовыми определениями цифровой фотографии.

Как фотон становится электроном

В приборах с зарядовой связью преобразование фотона в электрон производится в результате внутреннего фотоэффекта: поглощения светового кванта кристаллической решёткой полупроводника с выделением носителей заряда. Это может быть либо пара «электрон + дырка», либо единичный носитель заряда – последнее происходит при использовании донорных либо акцепторных примесей в полупроводнике. Очевидно, что образовавшиеся носители заряда до момента считывания необходимо как-то сохранить.

Для этого основной материал ПЗС-матрицы – кремниевая подложка p-типа – оснащается каналами из полупроводника n-типа, над которыми из поликристаллического кремния изготавливаются прозрачные для фотонов электроды. После подачи на такой электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить заряд, «добываемый» посредством внутреннего фотоэффекта. Чем больше фотонов упадёт на ПЗС-элемент (пиксель) и превратится в электроны, тем выше будет заряд, накопленный ямой.

Сечение пикселя ПЗС-матрицы

Чтобы получить «электронный негатив», необходимо считать заряд каждой потенциальной ямы матрицы. Данный заряд получил название фототок, его значение довольно мало и после считывания требует обязательного усиления.

Считывание заряда производится устройством, подключённым к самой крайней строке матрицы, которое называется последовательным регистром сдвига. Данный регистр представляет собой строку из ПЗС-элементов, заряды которой считываются поочерёдно. При считывании заряда используется способность ПЗС-элементов к перемещению зарядов потенциальных ям – собственно, именно поэтому данные устройства называются приборами с зарядовой связью. Для этого используются электроды переноса (transfer gate), расположенные в промежутке между ПСЗ-элементами. На эти электроды подаются потенциалы, «выманивающие» заряд из одной потенциальной ямы и передающие его в другую.

При синхронной подаче потенциала на электроды переноса обеспечивается одновременный перенос всех зарядов строки справа налево (или слева направо) за один рабочий цикл. Оказавшийся «лишним» заряд поступает на выход ПЗС-матрицы. Таким образом, последовательный регистр сдвига преобразовывает заряды, поступающие на его вход в виде параллельных «цепочек», в последовательность электрических импульсов разной величины на выходе. Чтобы подать эти параллельные «цепочки» на вход последовательного регистра, опять-таки используется регистр сдвига, но на этот раз параллельный.

Сечение пикселя ПЗС-матрицы

Фактически параллельным регистром является сама ПЗС-матрица, создающая посредством совокупности фототоков электронный «слепок» светового изображения. Матрица представляет собой множество последовательных регистров, называемых столбцами и синхронизированных между собой. В результате за рабочий цикл происходит синхронное «сползание» фототоков вниз, а оказавшиеся «лишними» заряды нижней строки матрицы поступают на вход последовательного регистра.

Как следует из вышесказанного, необходимо достаточно большое количество управляющих микросхем, синхронизирующих подачу потенциалов как на параллельный, так и на последовательный регистры сдвига. Очевидно, что последовательный регистр должен полностью освободиться от зарядов в промежутке между тактами параллельного регистра, поэтому требуется микросхема, синхронизирующая между собой оба регистра.

Из чего состоит пиксель

По указанной выше схеме работает так называемая полнокадровая ПЗС-матрица (full-frame CCD-matrix), её режим работы накладывает некоторое ограничение на конструкцию камеры: если в процессе считывания фототоков экспонирование не прекращается, «лишний» заряд, генерируемый попадающими на пиксели фотонами, «размазывается» по кадру. Поэтому необходим механический затвор, перекрывающий поступление света к сенсору на время, необходимое для считывания зарядов всех пикселей. Очевидно, что такая схема считывания фототоков не позволяет формировать видеопоток на выходе с матрицы, поэтому применяется она только в фототехнике.

Впрочем, избыточный заряд может накопиться в потенциальной яме и при фотосъёмке – например, при слишком «длинной» выдержке. «Лишние» электроны стремятся «растечься» по соседним пикселям, что на снимке отображается в виде белых пятен, размер которых связан с величиной переполнения. Данный эффект именуется блюмингом (от английского blooming – «размывание»). Борьба с блюмингом осуществляется посредством электронного дренажа (drain) – отвода из потенциальной ямы избыточного заряда. Существует два основных вида дренажа: вертикальный (Vertical Overflow Drain, VOD) и боковой (Lateral Overflow Drain, LOD).

Схема бокового дренажа

Для реализации вертикального дренажа на подложку ЭОП подаётся потенциал, который при переполнении глубины потенциальной ямы обеспечивает истечение избыточных электронов сквозь подложку. Основной минус такой схемы – уменьшение глубины потенциальной ямы, в результате чего сужается динамический диапазон. А в матрицах с обратной засветкой (в них фотоны проникают внутрь сенсора не сквозь электрод потенциальной ямы, а со стороны подложки) вертикальный дренаж вообще неприменим.

Боковой дренаж осуществляется при помощи специальных «дренажных канавок», в которые «стекают» избыточные электроны. Для формирования этих канавок прокладываются специальные электроды, на которые подаётся потенциал, формирующий дренажную систему. Другие электроды создают барьер, препятствующий преждевременному «бегству» электронов из потенциальной ямы.

Как следует из описания, при боковом дренаже глубина потенциальной ямы не уменьшается, однако при этом урезается площадь светочувствительной области пикселя. Тем не менее без дренажа обойтись нельзя, так как блюминг искажает снимок больше, чем все остальные виды помех. Поэтому производители вынуждены идти на усложнение конструкции матриц.

Таким образом, «обвязка» любого пикселя состоит как минимум из электродов переноса заряда и из компонентов дренажной системы. Однако большинство ПЗС-матриц отличается более сложной структурой своих элементов.