Микросхемы серии К1200 являются фоточувствительными схемами с зарядовой связью и предназначены для использования в качестве формирователей видеосигнала в телевизионных системах, в сканирующим устройствах или для считывания информации с движущихся объектов (для считывания текстов или контроля размеров и отклонений от заданных параметров движущихся предметов). Разработку и серийное производство их вел московский "Пульсар".
| К1200ЦЛ1 | 1200ЦЛ2 | 1200ЦЛ5 | 1200ЦМ9 | 1200ЦМ12 |
Приборы с зарядовой связью (ПЗС) строятся на основе элементов, выполняющих основные
операции над зарядами (электронами или дырками) как носителями информации, которые
хранятся и переносятся в потенциальных ямах в приповерхностном или объемном слое
полупроводника. Потенциальные ямы формируются под действием сигналов
на соответствующих электродах конденсаторных структур (элементов и ячеек памяти).
Микросхемы серии К1200 состоят из аналоговых детекторов
излучения и аналоговых сдвиговых регистров на основе МДП-конденсаторных ячеек памяти.
В ячейках памяти конденсаторного типа значение аналогового непрерывного сигнала
отображается значением заряда.
Ячейки могут обмениваться зарядом под действием управляющих
напряжений на их электродах. Несколько ячеек (минимум три), взаимодействующих
через зарядовую связь, образуют функциональный элемент, в котором осуществляются
преобразования информационных зарядов. Средняя ячейка такого элемента выполняет
роль управляемого пропускателя заряда (затвор транзисторной структуры), а крайние
ячейки могут обмениваться зарядом под действием управляющих сигналов на их
электродах и затворе управления пропускающей ячейки.
Для расширения областей применения микросхем
используют в качестве детекторов фотодиоды или фоторезисторные детекторы.
Обычно используется линейное (однострочное) или матричное (двухмерное)
расположение детекторов.
Матричная ФПЗС образует весь кадр одновременно, а однострочная — только
последовательно посредством механического сканирования по второй координате.
Матричные схемы делятся по принципу считывания на матрицы с переносом кадра и на
строчно-кадровые. Промежуточное положение между однострочными и матричными ФПЗС
занимают фоточувствительные схемы с временной задержкой и накоплением.
Все составляющие ФПЗС - и фоточувствительные элементы, и схемы коммутации - выполнены
на общей полупроводниковой подложке в едином технологическом цикле.
При изготовлении микросхем применяются 2 технологических процесса: с поверхностным
каналом (хранение и перенос сигнального заряда осуществляется на границе раздела
окисел — полупроводник), и объемным каналом переноса заряда (здесь отсутствует
влияние поверхностных состояний на эффективность переноса особенно при низких
уровнях освещенности).
Изготовленные по технологии с поверхностным каналом переноса линейные и матричные
ФПЗС имеют трехфазную организацию управления, а по технологии объемного канала
переноса — двух- и четырехфазное управление. Различие между двухфазными и
трехфазными схемами управления состоит в том, что для трехфазных необходимо
обеспечить гарантированное перекрытие между импульсами управления (для двухфазных
это необязательно), что определяет преимущественное использование трехфазных
систем в области низких частот (доли и единицы МГц).
К1200ЦЛ1 представляет собой многоэлементный кремниевый фотоэлектрический прибор с самосканированием на принципе переноса заряда. Прибор предназначен для использования в различной оптико-электронной аппаратуре, работающей в диапазоне длин волн от 0,5 до 1 мкм. Зарубежный его прототип, предположительно - CCD131 от Sony.
Прибор представляет собой фотоприемную линейку, содержащую 1024 ячейки в виде МОП-накопителей с общим фотозатвором из поликремния. Длина фоточувствительной секции составляет 15,36±0,003 мм. Линейка содержит секцию накопления и выходной регистр. Схема питания линейки трехфазная. В приборе используется специальная схема защиты от избытка накопленного заряда (антиблуминга).
По типу считывания информации К1200ЦЛ1 относится к однорегистровым линейным ФПЗС. Транспортный регистр — трехфазный, с поверхностным каналом р-типа, от фотоячеек отделен разрешающим затвором.
Из 1024 ячеек фоточувствительными являются только 1015 ячеек. Первые от выходного устройства девять ячеек закрыты алюминиевым экраном и используются для привязки к уровню черного. Фоточувствительные ячейки накрыты поликремниевым фотозатвором толщиной 0,5...0,6 мкм. Чувствительность К1200ЦЛ1, как и всех ФПЗС с МОП-накопителем, затвор которого сформирован из поликремния такой толщины, резко падает в синей части спектра.
Антиблуминговое устройство представляет собою многоистоковый МОП-транзистор с общим затвором и стоком, истоками которого являются фотоячейки. Регулируя смещение на затворе, устанавливают высоту потенциального барьера, который определяет максимальный уровень заполнения потенциальных ям МОП-накопителей.
Значительную долю паразитных носителей представляют носители, фотогенерированные на периферии. Для уменьшения влияния периферийной засветки, помимо антиблуминга, предусмотрены следующие меры: формирование охранной диффузионной области вокруг активной области прибора; расположение соединительных шин фазовых электродов таким образом, чтобы они образовали как бы трехфазную ячейку ПЗС, в которой заряды движутся от регистра к периферии; использование алюминиевого экрана, который закрывает большую часть кристалла.
Выходное устройство представляет собою плавающую диффузионную область, транзистор сброса и двухкаскадный истоковый повторитель с нагрузочным транзистором в первом каскаде. Затвор и исток нагрузочного транзистора выведены наружу, что обеспечивает максимальную свободу выбора рабочей точки. Предусмотрен компенсационный повторитель, аналогичный основному.
При электрическом вводе сигнала К1200ЦЛ1 работает как линия задержки с регулируемым временем задержки 9...20 мс, коэффициентом нелинейных искажений 0,6 %, коэффициентом частотных искажений ±1 кГц (в диапазоне 20... 100 кГц) и динамическим диапазоном более 50 дБ.
Для расширения динамического диапазона производят выборку сигнала в темноте с любого из первых семи элементов регистра, несущих электрический фоновый заряд, и после измерения темнового сигнала в каждой ячейке относительно уровня фона — запоминание его. Далее, вычитая из выходного сигнала (отсчитанного от уровня фона) уровень темнового сигнала в каждом элементе, определяют величину собственного сигнала.
Выпускаются ФПЗС типа К1200ЦЛ1 в металлокерамическом корпусе с 24 выводами (шаг 2,5 мм), расположенными в два ряда перпендикулярно основанию корпуса. Ключ в виде точки расположен у первого вывода. В крышку впаяно оптическое окно из лейкосапфира. Спецкорпус этот имеет имя собственное "Пустырник-1П".
Справочные данные на неё из отраслевого каталога и описание из справочника.
Это линейный ФПЗС на 2048 элементов (иногда почему-то упоминают 1024 элемента) разложения с фотодиодными ячейками, двухрегистровый, трехфазный. Он представляет собой многоэлементный кремниевый прибор с самосканированием на принципе переноса заряда. 1200ЦЛ2 предназначен для использования в телевизионной аппаратуре различного назначения, работающей в диапазоне длин волн от 0,36 до 1,05 мкм. Микросхема пакуется в спецкорпус с названием "Подсолнух-4".
Фотодиодные ячейки размером 12х10 мкм расположены с шагом 12 мкм и отделены друг от друга стоп-канальной областью, выполненной в форме серпантина, чем обеспечивается черезэлементное считывание зарядовых пакетов по двум регистрам. Накопительная область сформирована из фотодиодных ячеек и МОП-накопителей, разделенных барьерным затвором. Для отсчета уровня черного в строке 48 фотодиодов (2001 ...2048) закрыты слоем алюминия.
Регистры начинаются электродом первой фазы и заканчиваются электродом третьей фазы.
Выходное устройство состоит из
плавающей диффузионной области,
транзистора сброса с дополнительным
экранирующим затвором (что позволяет
уменьшить наводку от импульсов сброса, но
снижает чувствительность) и однокаскадного
истокового повторителя с внешней нагрузкой
в несколько килоом.
В приборе имеется схема защиты выхода от
тактовой помехи импульсного питания
транзистора сброса.
Справочные данные на неё из отраслевого каталога и описание из справочника.
Приборы К1200ЦЛ2 внедрены в производство и выпускались на Опытном заводе НИИ «Пульсар» в 1979-1994 г.г.
1200ЦЛ5 - фоточувствительная линейная схема; назначение её описано довольно прихотливо - преобразование одномерных распределений плотности энергий в световых полях в электрический сигнал дискретно-аналоговой формы. Микросхема имеет организацию фоточувствительной области 1024x1, размер фотодиодной ячейки 13х13 мкм, шаг 13 мкм. Краткие справочные данные на неё из отраслевого каталога и вырезка из справочника.
Для ФПЗС использован металлокерамический корпус с 24 выводами, с двухрядным расположением выводов, оптическое окно изготовлено из листового термического стекла.
Прибор 1200ЦЛ5 выпускался на Опытном заводе НИИ «Пульсар» в 1984-1994 гг.
По числу элементов она близка к К1200ЦЛ1.
Спектральная характеристика и компоновка
аналогичны К1200ЦЛ2: билинейная организация транспортных регистров, отделенных от фотодиодов системой из трех затворов; оснащение каждого регистра входным и
выходным устройствами.
Однако при внешнем сходстве конструкций между ними существуют принципиальные различия, определяющие качественно иной уровень ФПЗС второго поколения, к которым относятся 1200ЦЛ5.
Использование современных технологических методов (изоляции активных элементов с помощью локального оксидирования кремния, формирования двухслойного подзатворного диэлектрика диоксид кремния — нитрида кремния, создания неоднородно легированного объемного канала посредством высокоэнергетической ионной имплантации малыми дозами, низкотемпературного окисления, геттерирования и др.) позволило не только повысить быстродействие ФПЗС, но и улучшить эффективность переноса, повысить напряжение насыщения выходного сигнала и интегральную чувствительность, а также снизить шумы, уровень и неоднородность темнового тока.
Это прибор с профилированным объемным каналом
n-типа, применение которого повышает эффективность переноса и частотный предел работы ФПЗС. Переход от трех- к двухфазной системе управления переносом заряда существенно упрощает эксплуатацию. Если для работы К1200ЦЛ2 необходимо подвести пять различных логических импульсных последовательностей, то в данном случае — три
Микросхема может работать и в полуторафазном режиме, для чего необходимо удвоить амплитуду фазовых импульсов. При этом сокращается еще на единицу число требуемых импульсных последовательностей. Дополнительное упрощение эксплуатации обеспечивается возможностью управления регистрами в непрерывном режиме без остановки на время параллельного переноса пакетов из фоточувствительнего накопителя в регистры.
Для снижения влияния паразитной засветки ФПЗС
снабжена двумя дополнительными сдвиговыми регистрами, расположенными параллельно основным со стороны, противоположной накопителю. Дополнительные регистры имеют общее с основными регистрами управление и предназначены для сбора паразитных носителей заряда с периферии кристалла.
В конструкции ФПЗС отсутствует антиблуминг, но в качестве него может быть использован, как и в К1200ЦЛ2, один из транспортных регистров. Однако при этом число фоточувствительных элементов сокращается вдвое.
Линейка фоточувствительных элементов дополнена четырьмя экранированными от света
p-n-переходами (темновыми ячейками) в начале и четырьмя в конце. Они предназначены для отсчета уровня черного и отделены от фотодиодов изолирующими ячейками
— обратносмещенными p-n-переходами, имеющими, в отличие от фотодиодов, гальваническую связь с накопительным затвором. Протяженность изолирующих ячеек равна протяженности четырех фотодиодов, они предотвращают искажение уровня черного при переполнении крайних элементов фоточувствительного накопителя.
Число элементов регистров превышает число элементов разложения вместе с темновыми и изолирующими ячейками на шесть со стороны выходного устройства и на три элемента со стороны входного. Для сохранения возможности восстановления исходной последовательности зарядовых пакетов при мультиплексировании выходных сигналов первый регистр короче второго на пол-элемента. В составе электродной структуры регистров предусмотрены также ускоряющие электроды, расположенные между фазовыми электродами и выходными затворами регистров. Они имеют малую емкость, что позволяет подавать на них управляющие фазовые импульсы без искажения формы.
Выходные устройства регистров, выполненные по схеме двухкаскадного истокового повторителя, дополнены встроенным между каскадами транзистором выборки — хранения, который осуществляет стробирование выходного сигнала, в частности подавление помехи от транзистора сброса.
Выведенный отдельно затвор нагрузочного транзистора, включенного в цепь активного транзистора первого каскада, позволяет изменять положение рабочей точки повторителя. Транзистор второго каскада включается с внешней нагрузкой. При эксплуатации исток этого транзистора
во избежание перегорания алюминиевых дорожек, ведущих к стоку, не должен касаться подложки или стока (общего электрода подачи питания).
Регистры оснащены входными устройствами, каждое из которых включает общие входной затвор и входной диод и раздельные буферные плавающие диффузионные области. Входные устройства носят тестовый характер, но могут быть использованы для выполнения некоторых вспомогательных служебных функций, например ввода зарядового пакета, соответствующего уровню белого или задержки аналогового сигнала.
Бескорпусная фоточувствительная ПЗС-матрица, относящаяся к т.н. семейству КБ1200ЦМ-3.
Это секционированная трехфазная матрица 128х256 элементов (размер единичного элемента 12х16мкм),
изготовленная по типовой трехслойной технологии с поверхностным каналом р-типа.
Справочные данные на нее.
Микросхема имеет космическое назначение, применялась в аппаратуре разработки московского
НПО "Элас".
Матрица работает в режиме временной задержки и накопления, хотя возможен и кадровый
режим, и предназначена для фиксации движущегося изображения.
Б1200ЦМ9-3 имеет схемотехническую организацию, позволяющую регулировать
чувствительность с помощью подключения (или отключения) разного числа электродов,
объединенных в независимые секции, содержащие 16, 32 и 64 электрода. Одна из
секций, содержащая 16 электродов и расположенная вблизи выходного регистра,
работает постоянно. Подключение остальных секций позволяет задавать число
электродов и соответственно изменять чувствительность в 2, 4 и 8 раз.
Конструктивно микросхема представляет собой держатель из оксидированного алюминия,
на который наклеены кристалл и ситалловая плата с контактными площадками для
присоединения внешних выводов. Контактные площадки ситалловой платы, в свою очередь,
соединены с контактными площадками кристалла тонкими проволочными выводами.
Для измерений, испытаний и транспортировки держатель монтируют в тару-спутник.
Бескорпусные матрицы серии КБ1200ЦМ3 собирают в гибридную суперлинейку. Шахматное расположение матриц позволяет избежать потерь изображения, так как фоточувствительные области перекрываются на два столбца. Для того чтобы обеспечить шахматную сборку, матрицы выпускаются парами: в кристаллах КБ1200ЦМ9-3 выводы расположены со стороны выходного регистра, а в кристаллах КБ1200ЦМ10-3 со стороны, противоположной выходному регистру.
Этой матрицы я, как ни странно, в справочниках не обнаружил. Потому практически никаких подробностей нет, из редких упоминаний в интернете можно выудить лишь что это крупноформатная матрица структуры 580х360, объем выпуска которой составил 20000 штук. По слухам, она представляет собой отбраковку 1200ЦМ7; как правило, отбраковка сводилась к нормированию количества негодных (или поврежденных) элементов (ячеек).
Источники:
1. Перечень перспективных серий ИС. Редакция 1983 г. ЦКБ "Дейтон".
2. Аксененко М Д., Бараночников М. Л.
Приемники оптического излучения. Справочник. - М.: Радио и связь, 1987.
3. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой
связью.- М.: Радио и связь, 1991.
4. Микросхемы интегральные серии 1111...1500.- СПб.: Издательство РНИИ "Электронстандарт", 1993.
5. Марков, Аркадий Николаевич. Исследование конструкторско-технологических принципов проектирования и разработка ПЗС большой степени интеграции : автореферат дис. кандидата технических наук
/ НИИ Пульсар. - Москва, 1994.
6. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их
зарубежные аналоги: Справочник. Т. 7. - М.: КУбК-а, 2003.
7. Бараночников М. Л. Приемники и детекторы излучений. Справочник. - М.: ДМК Пресс, 2012.