CC BY
12Телевидение и обработка изображений
УДК 621.382.8
О. В. Алымов
ОАО ЦНИИ "Электрон" (Санкт-Петербург)
Линейный фотоэлектрический прибор с переносом заряда для систем космического базирования
Описаны конструкция и технология изготовления линейного фотоэлектрического прибора с переносом заряда для применения в системах ориентации космических аппаратов по Солнцу. Приведены параметры и характеристики прибора.
Фотоэлектрический преобразователь, регистр переноса, выходное устройство, радиационная стойкость, электронное экспонирование
Для ориентации космических аппаратов (КА) в пространстве по Солнцу перспективно использование систем, основным элементом которых является линейный фотоэлектрический приемник с переносом заряда (ЛФППЗ) [1]. В таких системах угловая координата направления на Солнце определяется положением штриховой проекции солнечного излучения на фоточувствительную поверхность ЛФППЗ [2].
К ЛФППЗ, предназначенным для работы в системах ориентации КА по Солнцу, предъявляются жесткие требования по радиационной стойкости, долговечности, работе в условиях изменения яркости и температуры в широких пределах. Поэтому существующие ЛФППЗ общего применения для использования в таких системах непригодны.
В связи с этим на основе проведенных исследований разработаны конструкция и технология изготовления ЛФППЗ, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям.
Разработанный ЛФППЗ выполнен на кремниевой подложке, покрытой двухслойным диэлектриком (8102 толщиной 0.06 мкм и толщиной 0.07...0.08 мкм), на поверх-
ность которой нанесены поликристаллические кремниевые электроды, а в приповерхностном слое сформированы светочувствительная структура, канал переноса (сдвиговый регистр), система электродов, предотвращающая переполнение ячеек накопления (антиблу-минг), и другие элементы.
Все функциональные узлы изготовлены по интегральной и-канальной ПЗС-технологии, модифицированной для создания обедненных фотодиодов в едином технологическом цикле.
Для обеспечения большого срока службы в архитектуре прибора использован принцип резервирования. Кристалл прибора содержит два одинаковых ЛФППЗ, имеющих независимые выходы (рисунок), расположенных параллельно друг другу. Расстояние между фоточувствительными полями с! = 664 мкм. Каждый ЛФППЗ имеет в своем составе следующие элементы: фоточувствительное поле, состоящее из 2600 рабочих элементов и 44 служебных элементов; секцию накопления ББ, затворы антиблуминга АО и стоки анти-
© Алымов О. В., 2012
71
блуминга АВ, а также электроды переноса БТ и два четырехфазных регистра переноса, тактируемых фазными последовательностями Б1 - ¥4, на основе скрытого канала //-типа с мультиплексированием сигналов от четных и от нечетных фоточувствительных элементов в выходном узле. Для того чтобы при мультиплексировании сигналы от четных и нечетных фоточувствительных элементов фиксировались последовательно, в системе сведения четных элементов количество электродов сведения увеличено на два.
Выходной узел с детектирующим элементом, преобразующим заряд в напряжение, выполнен на основе области с плавающей диффузией и содержит двухкаскадный истоко-вый повторитель.
Фоточувствительный преобразователь состоит из элементов четырех типов. Элементы с номерами 17.2616 (из общего количества 2600) неэкранированы, и сигнал с них используется для определения положения солнечного штриха на поверхности ЛФППЗ. Шаг фоточувствительных элементов составляет 12 мкм (размер фоточувствительной области9 мкм, ширина области стопорной диффузииЗ мкм), длина рабочей поверхности преобразователя равна 31.2 мм.
По краям рабочей части фотопреобразователя расположены элементы с номерами 13.16, 2617 и 2618, исключающие краевую неоднородность чувствительности. Они также не экранированы от солнечного излучения, но фотозаряд от них сразу передается в подложку через антиблуминг.
Элементы с номерами 1.8 и 2621.2628 экранированы от солнечного излучения и вырабатывают темновой сигнал, обусловленный термогенерацией неосновных носителей заряда и дефектами подложки. Сигнал от них передается в регистр и в дальнейшем при обработке вычитается из сигнала от рабочих фотоэлементов. В результате исключается погрешность, обусловленная темновым током.
Элементы четвертой группы с номерами 9.12, 2619, 2620, 2629, 2630, 2643 и 2644 экранированы от солнечного излучения, сигнал от них через антиблуминг передается в подложку. В интервалах времени, соответствующих этим элементам, формируется темновой сигнал самого регистра переноса. Полученный сигнал, на этапе обработки вычитаемый из сигнала рабочих элементов, позволяет исключить влияние регистра на погрешность измерения.
Особенностью разработанной архитектуры ЛФППЗ является наличие дополнительной структуры, состоящей из активных элементов 2633.2640. Эта структура предназначена для производственных проверок работоспособности основной фоточувствительной секции и периодического контроля в процессе длительной эксплуатации устройства ориентации по Солнцу.
Для повышения радиационной стойкости в разработанном приборе в качестве фоточувствительных элементов используются обедненные фотодиоды [3]. В таких фотодиодах и-область обычного диода заменена на и~-область, а на поверхности подложки сформирован тонкий слой сильнолегированной р-области. Такая конструкция не содержит зоны генерации темнового тока, расположенной на границе раздела "кремний-оксид", характеризующейся невысокой радиационной стойкостью. Кроме того, в обычных обратносме-щенных фотодиодах радиационные воздействия приводят к изменению пороговых напря-
жений под полевыми барьерными электродами и, как следствие, к изменению уровня смещения фотодиодов и, соответственно, к изменению режима работы ЛФППЗ.
Поверхностная р-область электрически подключена к подложке, поэтому фоточувствительный элемент ведет себя как потенциальная яма с виртуальным затвором и со скрытым каналом. В такой структуре уровень смещения фотодиодов не изменяется, что стабилизирует их режим работы и не приводит к увеличению темнового тока.
Относительное легирование и - и р -областей выбрано так, что и-область может быть полностью освобождена от электронов, но при этом р -область не освобождена от дырок.
В разработанной конструкции используются накопительные ячейки ББ. В этом случае фотодиоды поддерживаются в постоянном обеднении под фиксированным потенциалом в процессе всего цикла накопления. Благодаря этому обеспечиваются стабильность апертурных, спектральных и темновых характеристик и их независимость от величины накопленного заряда. Для обеспечения эффективного переноса фотогенерированных носителей заряда из фотодиода в секцию накопления в тело фотодиода встроен профилированный канал, который обеспечивает перенос электронов в электрическом поле с градиентом около 2 В/мкм. Сток зарядов в секцию накопления происходит с концов фотодиодов.
Перенос избыточных зарядов в секцию антиблуминга происходит из секции накопления. В этом случае работа антиблуминга на режим фотодиода не влияет.
При использовании ЛФППЗ в условиях значительной яркости, что характерно для работы устройства в системе ориентации по Солнцу, антиблуминг переводится в режим электронного экспонирования. В этом случае на затвор антиблуминга АО подается не постоянное, а импульсивное напряжение, которое синхронизовано с импульсным напряжением электрода переноса заряда в регистр ББ. Время накопления в этом случае равно интервалу между окончанием импульса отпирания, подаваемого на затвор антиблуминга АО, и началом отпирающего импульса, поступающего на электрод переноса заряда в регистр БТ.
Сравнительный анализ существующих сдвиговых регистров показал, что для работы в условиях космоса предпочтительным является использование четырехфазного регистра со скрытым каналом [4]. Такой регистр имеет простейшую схему генератора тактовых импульсов, состоящую из двух мультивибраторов. К форме тактовых импульсов не предъявляются жесткие требования. Зарядовая емкость такого регистра может быть равна удвоенной емкости электродов. Кроме того, использование регистра с четным числом фаз позволяет осуществлять мультиплексирование зарядов простейшим образом.
Для изготовления четырехфазной системы переноса использовалась трехслойная технология. При такой технологии размер изолирующего межфазного диэлектрика составляет менее 0.1 мкм, что существенно увеличивает эффективность переноса [5]. Доза
руемых ионов составляла 30 кэВ при ионном легировании сквозь слой 8102 и 55.60 кэВ - при легировании сквозь слой ЭЮ2 н^зКф
Выходной узел созданного ЛФППЗ, преобразующий зарядовые пакеты в напряжение, имеет высокие крутизну преобразования и скорость детектирования, достигнутые за
легирования скрытого канала фосфором составляла
Энергия импланти-
Таблица 1
Параметр Значение
Интегральная чувствительность, В/(лк-с) 15
Напряжение насыщения, В, не менее 2.7
Неравномерность выходного сигнала, %, не более 1.5
Неравномерность темнового сигнала, %, не более 0.05
Максимальная рабочая частота, МГц 1.5
Минимальная рабочая частота, кГц 200
Диапазон электронного экспонирования, мс 0.01...10
Динамический диапазон выходного
сигнала, не менее 7000
Таблица 2
Параметр Значение
Размах импульсного напряжения
управления регистром, В 9
Напряжение на электроде накопления, В 5...-1
Напряжение на затворе антиблуминга, В 4...-2
Напряжение на электроде переноса, В 4...-4
Напряжение стока антиблуминга, В 16
Напряжение сброса, В 5...- 4
Напряжение стока транзистора сброса, В 18
Напряжение на барьерном электроде
регистров, В -2
счет минимизации площадей зарядочувствительных элементов, а также благодаря разводке токоведущих шин на локально выращенном полевом оксиде (ЛОКОС), предусмотренных разработанной технологией.
Измерение параметров разработанных ЛФППЗ проведено в соответствии с ГОСТ 28953-91 при тактовой частоте 200 кГц. В табл. 1 представлены фотоэлектрические параметры прибора, в табл. 2 - значения питающих и управляющих напряжений.
При измерении фотоэлектрических параметров в качестве источника излучения применялась лампа КГМ-12 с цветовой температурой 2856±20 К. Интегральная чувствительность и неравномерность выходного сигнала измерялись при времени накопления 14 мс. При измерении напряжения насыщения и параметров антиблуминга засветка фоточувствительных элементов устанавливалась такой величины, чтобы каждый элемент прибора находился в насыщении. Измерение среднеквадратической неравномерности темнового сигнала проводилось не менее чем за два цикла его считывания при длительности накопления 100 мкс.
Приведенные в табл. 2 электрические параметры обеспечивают оптимальные характеристики ЛФППЗ по чувствительности преобразования, эффективности переноса, быстродействию, долговечности и радиационной стойкости.
Список литературы
1. Федосеев Ф. И., Колосов М. П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: учебное пособие. М.: Логос, 2007. 248 с.
2. Черемухин Г. С. Приборы ориентации на Солнце. М.: Техпромиздат, 1998. 342 с.
3. Алымов О. В. Фоточувствительная секция линейного ФППЗ для систем ориентации космических аппаратов по Солнцу // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 6. С. 84-87.
4. Кузнецов Ю. А., Шилин В. А. Микросхемотехника БИС на приборах с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1988. 160 с.
5. Пресс Ф. П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1991. 264 с. O. V. Alymov
JSC CSRI "Electron" (Saint-Petersburg)
Linear photometric device with charge transfer for the space basing
Construction and production technology of the charge transfer linear photoelectric device for the solar orientation systems of the automatic spacecraft are presented. Device parameters and characteristics are given.
Photoelectric converter, transfer register, output device, radiation durability, electronic exposure
Статья поступила в редакцию 5 июля 2012 г.
