Квантовая эффективность таких матриц (зелёная кривая на рис. 6) достигает иногда 90%, а спектральный диапазон простирается от 180 до 950 нм. Именно такие матрицы, несмотря на дороговизну (порой несколько десятков тысяч долларов - хотя, что это за деньги, если сам телескоп стоит сотни миллионов!), применяются в большинстве серьёзных астрономических проектов, включая космический телескоп "Хаббл" или недавно построенную Южную Европейскую Обсерваторию в Чили с несколькими 8-м телескопами.
И, наконец, третий способ улучшения спектральных характеристик ПЗС - виртуальная фаза, способ, предложенный в 1980 году Ярославом Хинечеком, в то время работавшим в фирме Texas Instruments, для американского проекта Galileo по запуску космического аппарата к Юпитеру. Суть этого способа в том, что один из электродов обычного ПЗС заменяется на мелкий слой p-типа (виртуальный затвор) непосредственно на поверхности кремния, замкнутый на стоп каналы (сам Хинечек модифицировал двухфазный ПЗС; автору ближе ПЗС с виртуальной фазой, полученные из обычных трёхфазных - см. рис. 5б). Доза канала под виртуальным затвором делается больше, чем под тактовыми затворами. Вспомним то, что говорилось про ПЗС со скрытым каналом по поводу фиксации поверхностного потенциала и зависимости глубины потенциальной ямы от дозы легирования канала. Структура с виртуальным затвором, замкнутым на подложку, с точки зрения канала переноса не отличается от состояния фиксации в обычном ПЗС со скрытым каналом. Если к тому же выбрать дозу легирования канала в области виртуальной ямы надлежащим образом, то потенциал канала в ней будет средним между ямой и барьером под тактовыми электродами, так что условия для тактируемого переноса заряда сохраняются.
Достоинства такой структуры несомненны. По сравнению с обычными ПЗС, в ней около половины площади ячейки свободны от поликремния, отсюда высокая чувствительность в синей и УФ области спектра (теоретически даже и до мягкого рентгена). Вместе с тем достигается она при освещении с фронтальной стороны подложки, что явно положительным образом сказывается на их цене. Ещё ПЗС с виртуальной фазой по принципу действия относятся к приборам с МРР, но об этом ниже, там, где речь пойдёт о темновом токе.
Я не мог не упомянуть здесь ПЗС с виртуальной фазой, поскольку именно этим типом приборов я имею честь заниматься уже многие годы (я и не обещал быть беспристрастным...). Эти приборы, в частности, уже много лет используются в системах ориентации российских космических аппаратов (звёздные датчики), и именно на них в 1986 г. впервые в мире было получено детальное изображение кометы Галлея (проект ВЕГА), которое даже попало на почтовые марки некоторых стран.
Поговорим теперь о других параметрах ПЗС (про неэффективность переноса и спектральные характеристики мы уже поговорили). Здесь будут обсуждаться как сами параметры, так и те меры, которые применяются для их улучшения.
4.1.2 Параметры ПЗС
4.1.2.1 Темновой ток
Как уже упоминалось, темновой ток - это результат спонтанной генерации электронно-дырочных пар и есть явление неизбежное, однако бороться с ним можно. Дело в том, что теоретическая величина темнового тока для кремния (если брать в расчёт только прямую генерацию через запрещённую зону) крайне мала, и на самом деле темновой ток в ПЗС (как и обратные токи в других кремниевых приборах) определяется двустадийной генерацией через промежуточные энергетические уровни в запрещённой зоне. Понятно, что чем меньше концентрация этих уровней - а она определяется качеством исходного кремния, чистотой реактивов и степенью совершенства технологии - тем меньше темновой ток. Понятно также, что граница раздела, где этих уровней заведомо много, даёт заметно больший вклад в темновой ток, чем объём. И вот здесь-то и надо вспомнить про МРР-приборы. Их отличие от обычных ПЗС в том, что под одной из тактовых фаз доза канала увеличена, соответственно и потенциал канала при фиксации будет выше. Таким образом, даже если на всех фазах напряжение на затворе таково, что поверхностный потенциал фиксирован, в канале переноса потенциальный рельеф сохраняется, а значит, возможно, локализованное накопление зарядовых пакетов. Поверхность же замкнута на подложку и исключается из процесса генерации темнового тока.
В настоящее время типовые значения темнового тока для лучших западных ПЗС составляют при комнатной температуре доли нА/см2, или несколько сотен (иногда тысяч) электронов на ячейку в секунду. И если для вещательного и бытового ТВ (время накопления 20 или 40 мс) такой темновой ток незаметен, то для научных применений, где регистрируются потоки в десяток фотонов на элемент, даже столь низкий темновой ток неприемлем. Действительно, время накопления в малокадровых системах, скажем, флуоресцентной микроскопии достигает минут, а в астрономии, когда нужно получить спектр звезды 20-й величины (совершенно типовое дело), - часов. В этом случае на помощь приходит охлаждение матриц. Как всякий термодинамический процесс, темновой ток сильно зависит от абсолютной температуры; принято считать, что при уменьшении температуры на каждые 7-8 градусов он уменьшается вдвое. Для глубокого охлаждения (в астрономических системах) используются азотные криостаты, где матрицы охлаждаются до -100оС. Для более простых систем применяется термоэлектронное охлаждение с использованием батарей Пельтье, которые способны обеспечить перепад в 70оС при подаче напряжения в 5-6 В, так что температура кристалла при комнатной наружной оказывается около -40оС, а темновой ток снижается до ~1 электрона на ячейку в секунду. Эти батареи столь компактны, что монтируются непосредственно в один корпус вместе с кристаллом ПЗС. Такие охлаждаемые приборы широко выпускаются как в США (например, фирмой SITe Technology или Hamamatsu Photonics) и в Европе (EEV, Великобритания), так и в России (фирма "Электрон-Оптроник", С.-Петербург).
Ну и, наконец, в цифровых системах на ПЗС, поскольку характеристика его отличается высокой линейностью, можно просто запоминать темновой сигнал (при данной температуре и данном времени накопления), а затем вычитать его из результирующего.
4.1.2.2 Неоднородность чувствительности
Ячейки ПЗС имеют неодинаковую чувствительность, т. е. даже при абсолютно однородной освещённости сигнал с них разный (иногда этот эффект называют геометрическим шумом). Величина этой неоднородности невелика и обычно не превышает 1-5% (для разных типов приборов), так что, скажем, в обычных ТВ камерах ею можно пренебречь. В научных системах, где требуется высокая фотометрическая точность, применяют довольно простой алгоритм коррекции неравномерности. Поскольку чувствительность каждого индивидуального элемента - фиксированная величина, то для её коррекции при некоторой равномерной освещённости запоминают сигналы со всех элементов прибора - и используют их как коэффициенты коррекции при всех последующих экспозициях. Предварительно, разумеется, проводят коррекцию темнового тока.
4.1.2.3 Шумы
Шумит сам световой поток. То есть число фотоэлектронов, накопленное в ячейке, определено с точностью до квадратного корня из их числа (статистика Пуассона). Например, зарядовый пакет в 10000 электронов от кадра к кадру будет флуктуировать со среднеквадратическим отклонением в 100 электронов. Точно такой же статистике подвержен и темновой сигнал, и, следовательно, суммарный (световой + темновой). Это, однако, не снимает задачи снижения шумов собственно ПЗС, поскольку часто приходится работать с сигналами в десяток-другой фотонов на ячейку (к счастью, не в ТВ системах).
Для качественных приборов, где низки темновой ток и неэффективность переноса, доминирующим источником шума будет выходное устройство. Обратимся ещё раз к рис. 4а и посмотрим на выходное устройство. Оно состоит из ёмкости считывания, как правило, диода, транзистора сброса Q1 и выходного усилителя (обычно это двухкаскадный истоковый повторитель с высоким входным импедансом). Работает такое выходное устройство так. Импульс сброса соединяет диод с источником опорного напряжения Vref., после чего транзистор сброса закрывается, и диод оказывается плавающим, т. е. его потенциал может изменяться при поступлении в него заряда - и он изменяется при следующем такте переноса заряда в регистре. Это изменение потенциала передаётся на выход прибора через усилитель. Так вот, фундаментальным свойством системы ключ - конденсатор (в случае ПЗС это транзистор Q1 и плавающая диффузия) является то, что каждый раз после размыкания ключа исходный потенциал считывающей ёмкости будет разным, причём среднеквадратическая величина этого шума (он называется установочным) равна (kT/C)1/2, а эквивалентный шумовой заряд - (kTC)1/2, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, а С - ёмкость считывающего узла. При комнатной температуре установочный шум равен 400C1/2?, если С - в пикофарадах. При этом сам сигнал пропорционален 1/C. Стало быть, чем меньше ёмкость, на которой детектируется заряд, тем больше отношение сигнал/установочный шум для данного считывающего устройства. Именно здесь кроется преимущество ПЗС по сравнению с предшествующими датчиками, где заряд с одного элемента попадал на общую для всего столбца шину.
Величина ёмкости считывания в современных ПЗС достигает 0,01-0,03 пФ, что соответствует установочному шуму примерно в 40-70 электронов. Для многих применений такой уровень шума приемлем, однако существует метод, позволяющий практически полностью устранить его. Этот метод предложен М. Уайтом и другими из фирмы Westinghouse в 1974 и носит название двойной коррелированной выборки. Вдумаемся ещё раз в то, когда появляется установочный шум: после размыкания транзистора сброса (отмечу ещё раз, что "после" не значит "из-за"; причина установочного шума - в фундаментальных термодинамических законах), но до поступления заряда в плавающий диод. Поступление сигнального заряда вызывает только изменение потенциала плавающей диффузии, и если предварительно запомнить напряжение установочного шума, то потом его легко вычесть из результирующего сигнала и тем самым полностью его (шум) устранить. Метод двойной коррелированной выборки стал фактически стандартным методом предварительной обработки сигнала для всех малокадровых систем, работающих на сравнительно низких тактовых частотах, да и во многих ТВ камерах.