УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НИЗКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К ПРОСТРАНСТВЕННОМУ ШУМУ
DEVICE TO DETECT ELECTROMAGNET RADIATION WITH LOW SENSITIVITY TO SPATIAL NOISE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области устройств для детектирования электромагнитного излучения. Оно преимущественно применяется к устройствам для детектирования инфракрасного излучения на основе болометров или микроболометров, но также имеет отношение к устройствам для детектирования электромагнитного излучения на основе фотодиодов или фотопроводников. Его область использования охватывает, в частности, производство электронных сетчаток, также называемых формирователями изображений, которые могут быть образованы из большого количества элементарных детекторов. Под микроболометром понимается болометр, по меньшей мере один размер которого является микрометрическим; это имеет отношение, в частности, к болометру, производство которого использует технологии микроэлектроники или микротехнологии и/или нанотехнологии.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее продвинутые устройства детектирования для детектирования и формирования изображения электромагнитного излучения основываются на использовании матрицы элементарных детекторов, ориентированных по меньшей мере в одну линию и/или по меньшей мере в один столбец.
Оптическая система, состоящая из сборки с различными диоптриями, обычно вставляется между источником излучения, который нужно детектировать, и плоскостью, содержащей элементарные детекторы. Функция этой оптической системы состоит в отклонении падающих лучей, чтобы сфокусировать их на элементарных детекторах, и в воспроизведении изображения источника на плоскости детектирования. Каждый элементарный детектор соответственно принимает одновременно элемент информации, который является характеристикой количества электромагнитного излучения, принятого устройством, с конкретным углом падения. Считывание сигналов, поставляемых различными элементарными детекторами матрицы, дает возможность воссоздания двумерного отображения, называемого изображением электромагнитного излучения, испускаемого источником.
Чтобы осуществить считывание сигналов, поставляемых элементарными детекторами, предоставляется электронная схема, имеющая столько входов сигнала, сколько имеется элементарных детекторов в устройстве детектирования. Эта электронная схема, называемая схемой считывания, может состоять из интегральной схемы, использующей микроэлектронную технологию КМОП либо биполярного КМОП или использующей микроэлектронную технологию ПЗС.
В дальнейшем в этом документе пиксель определяется как содержащий одиночный элементарный детектор и электрические компоненты, характерные для этого элементарного детектора, соединяющие этот элементарный детектор со схемой считывания. Эти электрические компоненты могут быть межсоединениями, электрическими соединениями, переключателями или устройствами согласования полного сопротивления. Пиксель также может включать в себя схему захвата и формирования, если последняя относится к одиночному элементарному детектору. Интервал пикселя определяется как период между двумя соседними пикселями.
Схема считывания и матрица элементарных детекторов могут производиться либо на одной подложке, образующей монолитный блок, либо на двух отдельных подложках, которые затем соединяются, и в этом случае они образуют гибридный блок.
В дополнение к поляризации элементарных детекторов, схема считывания выполняет три функции для работы устройства детектирования:
функцию согласования полного сопротивления между каждым элементарным детектором и схемой считывания, совершаемую устройством согласования полного сопротивления,
функцию для захвата и формирования сигнала, поставляемого элементарными детекторами, осуществляемую схемой захвата и формирования,
мультиплексирование сигналов, исходящих от разных элементарных детекторов, в виде одного электрического сигнала, обычно выполняемое сочетанием переключателей и средства управления. Единый электрический сигнал, называемый видеосигналом, затем может использоваться системой отображения.
Другие связанные функции могут включаться в схему считывания, например, функция для аналого-цифрового преобразования видеосигнала.
Создание схемы считывания, включающей в себя три вышеупомянутых функции (согласование полного сопротивления, захват сигнала и мультиплексирование), является сложной задачей, которая требует комплексной организации этих функций. Конечно, организация трех функций значительно влияет на соотношение сигнал/шум и эффективность элементарных детекторов.
В случае инфракрасных фотогальванических элементарных детекторов функции захвата и согласования полного сопротивления и функция формирования сигнала обычно расположены в каждом пикселе и поэтому близки к каждому элементарному детектору так, чтобы сделать возможно более равномерную рабочую точку для всех пикселей матрицы и, таким образом, уменьшить неоднородности на уровне матрицы, где эти неоднородности также называются постоянным пространственным шумом.
Поэтому имеется столько устройств согласования полного сопротивления и схем захвата и формирования, сколько элементарных детекторов в матрице. В случае инфракрасных элементарных детекторов с микроболометрами или фотогальванических детекторов для видимых длин волн функция захвата и формирования обычно делокализуется на периметр матрицы, например в конец каждого из столбцов или строк матрицы, тогда как функция согласования полного сопротивления часто остается внутренней по отношению к пикселю. Использование микроболометров является преимущественным, поскольку они функционируют при температуре окружающей среды, тогда как элементарные детекторы с инфракрасными фотодиодами часто требуют криогенной рабочей температуры, близкой к 77 К.
Функция мультиплексирования обычно распределяется между первой частью, расположенной в пикселе, чтобы совершать мультиплексирование в заданном столбце или заданной строке, и второй частью, преимущественно расположенной в основании столбца, или соответственно в конце строки, чтобы совершать мультиплексирование разных столбцов матрицы, или соответственно разных строк. Также возможна конфигурация, в которой мультиплексирование совершается только внутри пикселя.
Несколько способов, дающих возможность выполнить электрическое соединение фотогальванического инфракрасного элементарного детектора со схемой считывания, описываются в статье [1], "Infrared readout electronics: a historical perspective", M.J. Hewitt, J.L. Vampola, S.H. Black, C.J. Nielsen, Proc. of SPIE Vol. 2226 Infrared Readout Electronics II, страницы 108-119 (1994).
После изучения разных решений становится понятно, что функция согласования полного сопротивления преимущественно совершается транзисторами МОП в сборке с общим затвором, также называемым прямой инжекцией, как обусловленная высокими уровнями тока, протекающего в элементарных детекторах в их привычном условии использования.
Фиг.1 иллюстрирует электрическую схему пикселя 1, образованного из элементарного детектора 2, относящегося к типу инфракрасного фотодиода, соединенного последовательно с устройством 3 согласования полного сопротивления, относящегося к типу транзистора согласования полного сопротивления с прямой инжекцией, имеющего исток и сток. Анод фотодиода 2 соединяется с входной клеммой устройства согласования полного сопротивления, в этом случае истоком согласующего транзистора 3. Эта сборка обладает низким входным полным сопротивлением, которое выражается здесь как обратная величина значения крутизны у согласующего транзистора 3. Это значение крутизны зависит от тока поляризации I, проходящего через согласующий транзистор 3.
Сборка с прямой инжекцией дает возможность получить устройство согласования полного сопротивления с небольшим размером, имеющее только один согласующий транзистор 3 для каждого элементарного детектора 2. Соответственно, возможно без труда встроить функцию согласования полного сопротивления в пиксели малого размера, что невозможно в случае, например, сборок согласования полного сопротивления на основе усилителя.
Для еще большей эффективности устройству детектирования электромагнитного излучения необходимы свойства линейности и однородности чувствительности, а сборка с прямой инжекцией дает возможность улучшить эти свойства.
Однако должны учитываться ограничения по интеграции и миниатюризации, наложенные геометрией пикселя. Поскольку размер пикселей стремится стать меньше с каждым новым поколением изделий, у устройства согласования полного сопротивления есть все более и более ограниченное пространство с каждым технологическим поколением.
Статья [2], "LETI/LIR' amorphous silicon uncooled microbolometer development", J.L. Tissot, F. Rothan, C. Vedel, M. Vilain, JJ. Yon, Proc. of SPIE Vol. 3379 Infrared Detectors and Focal Plane Arrays V, страницы 139-144 (1998), показывает элементарные детекторы типа микроболометра, взаимодействующие с транзисторами согласования полного сопротивления в сборке с прямой инжекцией. Эта сборка выбирается, поскольку чувствительность микроболометра пропорциональна току, который проходит через нее, и этот ток называется током считывания.
Фиг.2 иллюстрирует устройство для детектирования электромагнитного излучения с использованием способа считывания элементарных детекторов 22, 220 типа микроболометра с помощью сборки с прямой инжекцией из согласующих транзисторов 23, 230 типа p-МОП, собранных с общим затвором и ассоциированных с каждым элементарным детектором 22, 220.
Устройство детектирования включает в себя несколько пикселей, два из которых, 21 и 210, представлены в данном случае. Каждый пиксель включает в себя элементарный детектор 22, 220, образованный микроболометром, имеющим электрическое сопротивление, меняющееся вместе с падающим электромагнитным излучением, воздействию которого он подвергается, где согласующий транзистор 23, 230 в описанном примере p-МОП типа выполняет функцию согласования полного сопротивления и переключателя 24, 240.
Микроболометры 22, 220 подключаются первой клеммой ко входной клемме устройства 23, 230 согласования полного сопротивления их соответствующего пиксела 21, 210. Поскольку устройство 23, 230 согласования полного сопротивления является согласующим транзистором, имеющим исток и сток, микроболометры 22, 220, каждый, подключаются к истоку согласующего транзистора 23, 230 их соответствующего пиксела 21, 210. Микроболометры 22, 220 подключаются второй клеммой к первому источнику P1 общего напряжения, который через соединение C1 подает ток считывания Ids, проходящий через микроболометры 22, 220. Стоки транзисторов 23, 230 p-МОП подключаются соответственно к первой клемме переключателей 24, 240, вторые клеммы переключателей 24, 240 подключаются к общей шине B1 считывания. Шина B1 считывания подключается к схеме 5 для захвата и формирования сигнала, доставленного элементарными детекторами 22, 220. Переключатели 24, 240 дают возможность изолировать заданный пиксель шины B1 считывания.
Схема 5 захвата и формирования традиционно включает в себя операционный усилитель 51, имеющий инвертирующий вход, подключенный к шине B1, неинвертирующий вход, подключенный к источнику 54 напряжения, и выход. Конденсатор 52 устанавливается между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 51. Переключатель 53 устанавливается параллельно с конденсатором 52.
Затворы согласующих транзисторов 23, 230 подключаются вместе через электрическое соединение C2 ко второму источнику P2 напряжения, который настраивается так, чтобы обеспечить работу согласующих транзисторов 23, 230 в насыщении. Работа в насыщении дает возможность получения низкого входного полного сопротивления, к которому стремятся.
В такой сборке, когда замыкается один из переключателей 24, 240, ток Ids считывания устанавливается между первым источником P1 напряжения и шиной B1 считывания, амплитуда которого модулируется с помощью значения сопротивления микроболометра 22, 220, через который проходит ток считывания Ids. Сопротивление микроболометра 22, 220 зависит от падающего электромагнитного излучения.
Переключатели 24, 240 могут замыкаться последовательно, так что к схеме 5 захвата и формирования одновременно подключается только один микроболометр 22, 220. Это формирует единый электрический сигнал, который представляет временное мультиплексирование токов Ids считывания, проходящих через разные пиксели 21, 210. Поэтому это формирует временное мультиплексирование сигналов, подаваемых элементарными детекторами, которые используют одну шину B1 считывания и обычно размещаются в заданном столбце или в заданной строке. Этот режим работы обычно называется работой "свертывающейся шторки".
Может включаться устройство 6 нижней отсечки; его функция заключается в устранении части тока Ids считывания, называемой током помехи общего вида, который протекает по шине B1 считывания, не перенося никакой информации касательно принятого электромагнитного излучения. Исключение тока помехи общего вида, также называемое нижней отсечкой, дает возможность придать большую чувствительность схеме 5 захвата и формирования сигнала. В дальнейшем мы будем называть ток Ids считывания, протекающий в шине B1 считывания и в элементарном детекторе 22, 220 в момент, когда считывается этот элементарный детектор 22, 220.
В случае микроболометров ток помехи общего вида значительно зависит от средней температуры устройства детектирования во время использования. Устройство 6 нижней отсечки преимущественно состоит из регулировочного сопротивления 61, состоящего из микроболометра того же вида, что и элементарные детекторы 22, 220, но который менее чувствителен к электромагнитному излучению. Регулировочное сопротивление 61 имеет клемму, подключенную через транзистор 62, в описанном примере n-МОП типа, к шине B1 считывания, и другую клемму, подключенную к источнику 63 напряжения с низким полным сопротивлением, который может быть, например, землей. Транзистор 62 устройства нижней отсечки содержит затвор, подключенный к источнику напряжения (не представлен), настроенному так, чтобы обеспечивать работу транзистора 62 в насыщении, чтобы получить искомое низкое полное сопротивление на входе схемы 5 захвата и формирования.
Этот тип микроболометра 61, называемый слепым микроболометром, дает возможность выполнения дифференциального считывания с резистором каждого элементарного детектора 22, 220. Дифференциальное считывание дает возможность подавить изменения сопротивления, характерные для всех микроболометров 22, 220, 61. В частности, оно дает возможность игнорировать изменения сопротивления из-за изменений средней температуры, характерных для всего устройства детектирования.
Устройство 6 нижней отсечки является общим для разных элементарных детекторов 22, 220, которые используют одну шину B1 считывания. Когда замыкается переключатель 24, 240, протекающий по шине B1 считывания ток равен току Ids считывания, протекающему в считываемом элементарном детекторе 22, 220. Транзистор 62 n-МОП типа и слепой микроболометр 61 получают большую часть тока помехи общего вида из тока Ids считывания, проходящего через микроболометр 22, 220 пиксела 21, 210. Результат состоит в том, что схема 5 захвата и формирования принимает ток, в котором пропорционально усиливаются колебания тока, называемые сигналом, подаваемым элементарным детектором 22, 220, происходящим от изменений сопротивления из-за электромагнитного излучения.
Так как элементарные детекторы 22, 220 имеют соотношение сигнал-шум, производительность устройства детектирования электромагнитного излучения измеряется по его способности воспроизводить соотношение сигнал-шум элементарных детекторов 22, 220, наряду с минимизацией ухудшений, которые присущи схеме 5 захвата и формирования, согласующим транзисторам 23, 230 и размещению элементарных детекторов 22, 220.
Производительность такого устройства также оценивается посредством качества воспроизведения сигналов, подаваемых элементарными детекторами. Качество воспроизведения в случае элементарных детекторов типа микроболометра характеризуется, например, соотношением изменения тока Ids считывания, вызванного электромагнитным излучением, к изменению тока, полученного для детектора короткого замыкания, который поэтому имеет нулевое полное сопротивление считывания, которое называется собственным сигналом детектора. Это соотношение, также называемое коэффициентом Eta инжекции, выражается следующим соотношением:
<maths num="1"><math display="block"><mrow><mi>E</mi><mi>t</mi><mi>a</mi><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mi>m</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><msub><mi>G</mi><mi>m</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mrow></math><img file="00000001.tif" he="6" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(1)
m
d
где G - крутизна согласующего транзистора 23, 230 с прямой инжекцией, а R - значение сопротивления микроболометра.
Соотношение (1) показывает, что коэффициент инжекции, близкий к 100%, можно получить в случае, когда обратная величина крутизны согласующего транзистора 23, 230 гораздо ниже сопротивления микроболометра 22, 220.
Если нужно получить низкий уровень шума, нужно создать коэффициент инжекции с высоким значением.
n-total
n-bolo
n-tmos
Тогда шум I, введенный в схему 5 захвата и формирования, преимущественно происходит, во-первых, от шума I, присущего микроболометру 22, 220, а во-вторых, от шума I, который характерен для согласующего транзистора 23, 230, в соответствии со следующим соотношением:
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mi>t</mi><mi>a</mi><mo>×</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>b</mi><mi>o</mi><mi>l</mi><mi>o</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mtext> </mtext><mo>−</mo><mtext> </mtext><mi>E</mi><mi>t</mi><mi>a</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>t</mi><mi>m</mi><mi>o</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext></mrow></msqrt></mrow></math><img file="00000002.tif" he="8" wi="79" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(2)
Для 100%-ного коэффициента инжекции весь собственный сигнал элементарного детектора 22, 220 передается в схему 5 захвата и формирования, где сигнал, доставленный в токе Ids считывания, имеет значение собственного сигнала, и соотношение (2) показывает, что шум, введенный в схему 5 захвата и формирования, равен шуму микроболометра 22, 220. Поэтому в этой ситуации соотношение сигнал-шум элементарного детектора 22, 220 прекрасно воспроизводится.
n-tmos
n-total
Наоборот, для коэффициента инжекции Eta меньше 100% наблюдается не только более слабый доставленный сигнал на входе схемы 5 захвата и формирования, но и дополнительно наблюдается больший вклад собственного шума I согласующего транзистора 23, 230 в I. Это сочетание эффектов приводит к существенному ухудшению соотношения сигнал-шум.
Когда сопротивление микроболометров 22, 220 становится слишком низким, меньшим либо равным обратной величине крутизны согласующего транзистора 23, 230, коэффициент инжекции Eta становится слишком низким для приемлемого использования устройства детектирования.
n-tmos
n-bolo
Когда согласующий транзистор 23, 230 имеет собственный шум I, который ощутимо больше собственного шума микроболометра I, например, из-за появления шума 1/f в согласующем транзисторе 23, 230, то соотношение сигнал-шум в устройстве детектирования ухудшается.
n-tmos-1/f
Соотношение (3) описывает оценку шума 1/f, присущего согласующему транзистору, имеющему затвор шириной W и длиной L, причем этот шум называется I.
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>t</mi><mi>m</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>f</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mi>F</mi></msub><mo>×</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>d</mi><mi>s</mi></mrow><mrow><mi>A</mi><mi>f</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>W</mi><mo>×</mo><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(3)
Соотношение (3) показывает, что значительный шум 1/f может появляться, когда площадь затвора, то есть произведение длины L, умноженное на ширину W становится малой, или, в качестве альтернативы, когда ток Ids считывания, проходящий через согласующий транзистор 23, 230, становится слишком большим, или еще когда параметры Kf и Af, которые являются характеристикой используемой технологии МОП, являются слишком высокими.
Эти конкретные ситуации возникают и в совместном виде, при разработке усовершенствованных технологических поколений устройств детектирования электромагнитного излучения, включающих в себя пиксели, которые имеют малый размер.
В оставшейся части описания основная площадь элементарного детектора обозначает площадь элементарного детектора, позволяющую детектировать электромагнитное излучение. Такая площадь часто обозначается как чувствительная область электромагнитного детектора.
Сокращение размера пикселя 21, 210 приводит к сокращению основной площади детектора, а поэтому к сокращению интенсивности электромагнитного излучения, принятого каждым элементарным детектором 22, 220. Это вызывает сокращение чувствительности. Это сокращение чувствительности можно компенсировать увеличением тока Ids считывания в микроболометре 22, 220.
Однако увеличение тока Ids считывания одновременно увеличивает уровень шума 1/f у согласующего транзистора 23, 230, что показано соотношением (3).
Сокращение размера пикселя 21, 210 обычно сопровождается снижением напряжений питания, поскольку его исполнение может использовать технологии КМОП последнего поколения, в которых доступные напряжения ниже.
Чтобы компенсировать это снижение напряжений питания, значение сопротивления микроболометров 22, 220 должно быть пропорционально уменьшено. В соответствии с соотношением (1) это приводит к сокращению коэффициента Eta инжекции.
Наконец, сокращение размера пикселей 21, 210 вызывает сокращение размера согласующих транзисторов 23, 230, расположенных в пикселях 21, 210. Соответственно, уменьшается ширина W и/или длина L затворов этих транзисторов. В соответствии с соотношением (3), это вызывает увеличение уровня шума 1/f согласующего транзистора.
Сокращение размера согласующего транзистора 23, 203 также имеет недостаток в том, что оно вносит больший разброс в пороговое напряжение, что будет отражаться в большем пространственном шуме в устройстве детектирования.
Патент US 6028309 (ссылка [3]) описывает архитектуру устройства детектирования электромагнитного излучения, созданного в виде матрицы микроболометров, в которой согласующий транзистор с прямой инжекцией располагается в конце столбца в каждом столбце матрицы и подключается ко всем элементарным детекторам столбца с помощью шины считывания. Эта компоновка дает возможность преодолеть геометрические ограничения, наложенные размером пикселей, и поэтому теоретически дает возможность спроектировать согласующий транзистор, который имеет площадь затвора, которая шире, чем если бы согласующий транзистор располагался в пикселе или размещался вертикально над ним, имея площадь, ограниченную площадью этого пикселя.
Однако согласующий транзистор является общим для столбца элементарных детекторов типа микроболометра или болометра, и поэтому вводится остаточное сопротивление между элементарным детектором и согласующим транзистором. Остаточное сопротивление частично обусловлено шиной считывания, расположенной между каждым микроболометром и истоком согласующего транзистора. Это последовательное сопротивление необходимо, поскольку имеет отношение к размерам шины считывания, которые излишне уменьшаются, чтобы уместить шину в интервал пикселя.
Влияние этого последовательного сопротивления состоит в перемещении всех рабочих точек микроболометра и уменьшении его чувствительности.
К тому же это последовательное сопротивление отличается для каждого из детекторов в столбце, поскольку каждый элементарный детектор находится на разном расстоянии от согласующего транзистора. Поэтому эта архитектура вносит градиент рабочих точек и градиент чувствительности по длине матрицы. Это вызывает дополнительный пространственный шум по столбцам в дополнение к любому пространственному шуму, который уже присутствует. К тому же образуется колоночный шум, так как каждый согласующий транзистор является общим для одного столбца и привносит собственный шум, который вносит вклад в установление отличий столбцов друг от друга.
Наконец, возможное увеличение размеров согласующих транзисторов ограничивается шириной столбца элементарных детекторов, поскольку должны применяться некоторые проектные нормы, связывающие длину и ширину транзистора, чтобы ограничить шум транзисторов. Таким образом, сокращение размеров элементарных детекторов нельзя непременно компенсировать в показателях шума и эффективности с помощью этого решения.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в создании устройства для детектирования электромагнитного излучения, которое включает в себя устройство согласования полного сопротивления, способное восстанавливать высокое соотношение сигнал-шум для нескольких элементарных детекторов, в особенности для интегрированных элементарных детекторов, размещенных в матрицу, состоящую из строк и столбцов. Матрица состоит из пикселей, как определено выше, причем каждый включает в себя несколько элементов, один из которых является элементарным детектором. Задача изобретения - предоставить решение для затруднений и ограничений, относящихся к пониженному соотношению сигнал-шум и сокращению размеров пикселей.
Другая задача изобретения - предложить устройство детектирования электромагнитного излучения, которое минимизирует весь постоянный пространственный шум, происходящий либо от разбросов характеристик элементов пикселя, либо от разбросов характеристик элементов, общих для заданного столбца или заданного набора пикселей. Устройство в соответствии с изобретением также обладает преимуществом в том, что оно дает возможность для элементарных детекторов обеспечивать увеличенный ток считывания, чтобы получить повышенную чувствительность, без внесения значительного шума, происходящего от устройств согласования полного сопротивления, которые подключаются к элементарным детекторам.
Изобретение также дает возможность создать устройство детектирования электромагнитного излучения, которое способно использовать продвинутые технологии МОП, приводящие к размерам элементарного детектора и электрических соединений, которые малы насколько возможно, без побочного эффекта в виде низких напряжений питания, которые часто обнаруживаются в этих технологиях.
В конечном счете, другая задача изобретения - предложить устройство детектирования электромагнитного излучения, которое имеет упрощенные пиксели, включающие в себя меньшее количество элементов, необходимых для их работы.
Поэтому изобретение имеет отношение к устройству детектирования электромагнитного излучения, включающему в себя несколько элементарных детекторов, сгруппированных в один или несколько сборочных узлов, причем каждый включает в себя несколько элементарных детекторов. Каждый элементарный детектор подключается с помощью межсоединения к устройству согласования полного сопротивления. Устройство в соответствии с изобретением отличается тем, что:
устройство согласования полного сопротивления является общим для всех элементарных детекторов одного сборочного узла,
в каждом сборочном узле межсоединения имеют приблизительно одинаковое значение сопротивления.
К тому же в оставшейся части описания элементарные детекторы определяются как подключенные к входной клемме устройства согласования полного сопротивления, а не как способные подключаться в любой конкретной точке устройства согласования полного сопротивления.
В результате объединения таким образом устройств согласования полного сопротивления между несколькими элементарными детекторами можно получить устройство согласования полного сопротивления, размер которого больше, чем размер, который оно имело бы, если бы было одно устройство согласования полного сопротивления для каждого элементарного детектора. Таким образом, сравнительно уменьшается весь шум, относящийся к размеру устройства согласования полного сопротивления.
К тому же приблизительно одинаковое значение сопротивления для всех межсоединений в заданном сборочном узле дает возможность иметь приблизительно одинаковое остаточное полное сопротивление из-за межсоединения для каждого пикселя в заданном сборочном узле.
Если имеется несколько сборочных узлов, содержащих согласующий транзистор в устройстве детектирования, то все пиксели в устройстве детектирования имеют приблизительно одинаковое полное сопротивление.
Таким образом, поскольку каждый сборочный узел элементарных детекторов подключается к шине считывания через устройство согласования полного сопротивления, через шину считывания проходит ток считывания, который в том числе включает в себя элемент постоянной составляющей, имеющий постоянный ток, зависящий от постоянного полного сопротивления, которое приблизительно одинаково для каждого элементарного детектора, принимая во внимание сопротивление его межсоединения. Ток считывания, протекающий по шине считывания, также включает в себя переменный составной элемент, называемый сигналом, подаваемым элементарным детектором, который является колебанием тока, зависящим от изменения сопротивления элементарного детектора. Это изменение сопротивления обусловлено взаимодействием между элементарным детектором и падающим на элементарный детектор электромагнитным излучением. Поскольку постоянное полное сопротивление приблизительно одинаково для всех элементарных детекторов, становится просто идентифицировать долю тока считывания вследствие электромагнитного излучения, независимо от элемента постоянной составляющей тока.
Элементарные детекторы могут быть болометрами или микроболометрами, фотодиодами или фотопроводниками. Элементарные детекторы предпочтительно являются микроболометрами. Соответственно, можно использовать значительные токи считывания и работать при температуре окружающей среды.
Когда элементарные детекторы являются фотодиодами, может быть выгодно подключать устройство согласования полного сопротивления к схеме захвата и формирования, общей для всех элементарных детекторов одного сборочного узла. Схема захвата и формирования тогда может быть расположена в очень близком положении к элементарным детекторам, сохраняя при этом размеры, подходящие для правильной работы. Это объединение посредством элементарных детекторов дает возможность освободить достаточно большое пространство, чтобы обеспечить схему захвата и формирования в области элементарных детекторов, и не требует ни ее отправки в конец столбца, ни ее объединения между несколькими сборочными узлами.
Наоборот, независимо от того, относятся элементарные детекторы к типу микроболометра или фотодиода, устройство согласования полного сопротивления может преимущественно подключаться к схеме захвата и формирования, общей для нескольких сборочных узлов, и располагаться, например, в конце столбца или строки. Это дает возможность объединить схемы захвата и формирования и упростить производство матрицы элементарных детекторов. К тому же это оставляет большую область, доступную для производства более крупного устройства согласования полного сопротивления, чем, если бы схема захвата подключалась к одному сборочному узлу. В этом случае шина считывания преимущественно соединяет каждое устройство согласования полного сопротивления со схемой захвата и формирования.
Каждый элементарный детектор предпочтительно включается последовательно с переключателем, который к нему относится, причем переключатели в заданном сборочном узле принимают замкнутое положение в последовательном виде, так что шина считывания, подключенная к устройству согласования полного сопротивления, принимает сигнал, исходящий одновременно только от одного элементарного детектора. Сигнал быстро изменяется в результате прохождения через элементарный детектор, в соответствии с электромагнитным излучением, воздействию которого он подвергается. Затем можно произвести последовательное мультиплексирование между различными сигналами, происходящими от разных элементарных детекторов.
Устройство согласования полного сопротивления предпочтительно является транзистором с прямой инжекцией, работающим в насыщении, называемым согласующим транзистором. Элементарные детекторы затем подключаются к электроду истока согласующего транзистора от первой клеммы, имеющейся на элементарном детекторе. Конечно, в этом случае входная клемма устройства согласования полного сопротивления является истоком согласующего транзистора. Соответственно, можно упростить устройство детектирования электромагнитного излучения, и используется одиночный транзистор для выполнения функции согласования полного сопротивления. Чувствительность и линейность детекторов повышаются, поскольку ограничиваются изменения сопротивлений, наблюдаемые шиной.
Элементарные детекторы преимущественно определяют первую плоскость, отличную от второй плоскости, включающей в себя устройство согласования полного сопротивления. Две плоскости находятся одна над другой. Устройство согласования полного сопротивления предпочтительно обращено по меньшей мере к некоторому количеству элементарных детекторов. К тому же устройство согласования полного сопротивления предпочтительно обращено по меньшей мере к части каждого элементарного детектора. Если устройство согласования полного сопротивления является транзистором с прямой инжекцией, то соответственно можно произвести транзисторы, имеющие большую площадь затвора, чем если бы согласующий транзистор находился в той же плоскости, что и элементарный детектор.
Независимо от того, производится матрица элементарных детекторов из той же подложки, что и устройство согласования полного сопротивления, или на второй подложке, можно произвести устройства согласования полного сопротивления в плоскости, отличной от плоскости элементарных детекторов. Таким образом, увеличение площади устройства согласования полного сопротивления не вызывает в результате сокращение площади элементарных детекторов. Это дает возможность получить пиксели с площадями, приблизительно равными площади элементарного детектора.
Поскольку несколько элементарных детекторов подключаются к заданному устройству согласования полного сопротивления, устройство согласования полного сопротивления может предпочтительно расширить поверхность на несколько элементарных детекторов или иметь площадь, большую основной площади элементарного детектора. Поскольку устройство согласования полного сопротивления является согласующим транзистором, оно преимущественно может иметь большую площадь затвора, чем основная площадь элементарного детектора в сборочном узле.
Наконец, возможно произвести устройства согласования полного сопротивления, имеющие площадь, приблизительно равную объединенной площади основных областей элементарных детекторов в заданном сборочном узле. Поскольку устройство согласования полного сопротивления является согласующим транзистором, оно преимущественно имеет большую площадь затвора, чем площадь, соответствующая сумме основных областей нескольких элементарных детекторов в заданном сборочном узле.
Эти два преимущественных условия также имеют силу, если при расположенном согласующем транзисторе на второй плоскости, отличной от первой плоскости, содержащей элементарные детекторы, основная область элементарного детектора представляет большую часть площади пикселя.
В зависимости от уровня техники, когда имеется один согласующий транзистор для каждого пикселя, площадь затвора меньше площади пикселя. Конечно, даже если согласующий транзистор располагается на второй плоскости, отличной от первой плоскости, содержащей элементарные детекторы, согласующий транзистор имеет исток, сток, а также электроды и межсоединения, которые также должны находиться на второй плоскости. Поэтому затвор согласующего транзистора в соответствии с уровнем техники обычно имеет площадь меньше таковой у пикселя.
Наличие большой площади затвора вызывает слабый шум 1/f в согласующем транзисторе, и это дает возможность центральному току считывания проходить через согласующий транзистор, производя слабый собственный шум. Поэтому даже в микроэлектронных технологиях, приводящих к малым размерам пикселей или малым размерам элементарных детекторов, можно получить сборочные узлы с элементарными детекторами со слабым шумом 1/f и высоким коэффициентом инжекции.
Таким образом, чтобы получить приблизительно равные значения сопротивления у межсоединений, где каждое соединяет устройство согласования полного сопротивления с элементарным детектором, межсоединения могут иметь приблизительно одинаковые размеры.
Если это не так, если размеры не одинаковы, то по меньшей мере одно межсоединение преимущественно имеет более высокое или более низкое сопротивление, по сравнению с сопротивлением, которое оно имело бы, если бы оно соединяло элементарный детектор с входной клеммой устройства согласования полного сопротивления настолько короткой дорожкой, насколько возможно в микроэлектронной технологии, причем по меньшей мере один элементарный детектор находится дальше от входной клеммы устройства согласования полного сопротивления, чем другой элементарный детектор в том же сборочном узле.
Таким образом, можно образовать межсоединения, имеющие приблизительно равные сопротивления, однако без элементарных детекторов, расположенных приблизительно на равном расстоянии от входной клеммы устройства согласования полного сопротивления, например электрода истока. Соответственно, можно произвести оптимальное устройство согласования полного сопротивления, не принимая во внимание возможную компоновку его элементарных детекторов. Это может быть проще, чем конфигурирование устройства согласования полного сопротивления в виде сложной формы, так что входная клемма, например электрод истока, может иметь некую часть на приблизительно одинаковом расстоянии от каждого элементарного детектора.
В микроэлектронной технологии кратчайший возможный путь между двумя точками отличается от геометрически кратчайшего возможного пути. Конечно, в микроэлектронике необходимо обходить по меньшей мере каждый элемент, присутствующий между двумя вышеупомянутыми точками. К тому же необходимо обходить их без соприкосновения с другими элементами. Более того, в микроэлектронике применяются проектные нормы, цель которых - предотвратить слишком близкое нахождение разных элементов, присутствующих около заданного местоположения. Безопасное расстояние нужно оставлять между разными элементами, чтобы предотвратить короткое замыкание или токи утечки. Наконец, в микроэлектронике, если можно провести соединения вне плоскости, параллельной первой плоскости, заданной элементарными детекторами, то эти соединения выполняются из вертикальных соединений и соединений, содержащихся в плоскостях, параллельных первой плоскости; как правило, невозможно провести соединения, имеющие угол, заметно отличный 0° или 90° относительно нормали к первой плоскости.
Если элементарный детектор находится дальше от устройства согласования полного сопротивления, чем другой элементарный детектор в том же сборочном узле, то полезно, чтобы по меньшей мере одно межсоединение заданной длины, соединяющее устройство согласования полного сопротивления с элементарным детектором, по меньшей мере на одной части его длины имело сечение, отличное от сечения по меньшей мере одной части другого межсоединения, соединяющего устройство согласования полного сопротивления с другим элементарным детектором в том же сборочном узле. В части сечения, отличного от сечения другого межсоединения, межсоединение содержит одно сопротивление для каждой единицы длины, отличной от таковой у другого межсоединения. Таким образом, можно искусственно увеличивать или уменьшать сопротивление межсоединения. Поэтому можно подключить к устройству согласования полного сопротивления элементарные детекторы, расположенные на разных расстояниях от входной клеммы устройства согласования полного сопротивления, посредством межсоединений, имеющих разные длины, но приблизительно равные сопротивления.
В этой ситуации, если необходимо увеличить сопротивление межсоединения, соединяющего устройство согласования полного сопротивления с элементарным детектором, то межсоединение, обладающее увеличенным сопротивлением и заданной длиной, преимущественно имеет сужение сечения относительно по меньшей мере части его длины.
Такое частичное сужение сечения может обеспечить возможность изменения сопротивления межсоединения, требующего этого, однако без удлинения этого межсоединения. Конечно, если возможно удлинить межсоединение по сравнению с кратчайшим возможным путем, чтобы увеличить его сопротивление, то это вызывает образование дополнительных длин межсоединений. Тогда становится сложнее вычислить и спроектировать кратчайший возможный путь для соседних межсоединений.
В соответствии с изобретением, элементарные детекторы располагаются в матрице, включающей в себя строки и столбцы из элементарных детекторов. Таким образом, сборочный узел может включать в себя разные элементарные детекторы, расположенные на нескольких строках, и разные элементарные детекторы, расположенные на нескольких столбцах матрицы.
Этот дает возможность одновременно уменьшить колоночный элемент составляющей и строчный элемент составляющей пространственного шума матрицы. Конечно, эта ситуация преимущественно подразумевает, что первый сборочный узел подключается к шине считывания, отличной от шины считывания, подключенной по меньшей мере ко второму сборочному узлу, содержащему элементарный детектор в строке матрицы, которая является той же строкой, что и элементарный детектор первого сборочного узла. И к тому же первый сборочный узел обычно подключается к шине считывания, отличной от шины считывания, подключенной по меньшей мере к третьему сборочному узлу, содержащему элементарный детектор в столбце матрицы, который является тем же столбцом, что и элементарный детектор первого сборочного узла.
В частности, если схема захвата и формирования является общей для нескольких сборочных узлов, то никакой шум из-за схемы захвата и формирования не создает никакого колоночного шума, поскольку схема захвата и формирования подключается к элементарным детекторам, находящимся в разных строках и столбцах матрицы, и поскольку она не подключается ни ко всем элементарным детекторам заданной строки, ни ко всем элементарным детекторам заданного столбца.
В качестве альтернативы сборочный узел может включать в себя разные элементарные детекторы, расположенные на нескольких строках и в одном столбце, или разные элементарные детекторы, расположенные в нескольких столбцах и на одной строке матрицы. В этом случае сборочный узел представляет фрагмент строки или столбца матрицы. В этой ситуации строчный или колоночный пространственный шум уменьшается только в направлении, в котором шина считывания передает сигнал, исходящий от различных сборочных узлов, а не от устройства с одним сборочным узлом.
Преимущественно во всех случаях можно уменьшить колоночный пространственный шум, если сборочные узлы, содержащие элементарные детекторы, расположенные на заданной строке или столбце матрицы, подключаются к разным шинам считывания.
В преимущественном варианте осуществления изобретения элементарные детекторы заданного сборочного узла размещаются в соответствии с осевой симметрией заданного порядка. Это дает возможность облегчить образование межсоединений и образование входной клеммы устройства согласования полного сопротивления. Это полезно, в частности, если нужно, чтобы межсоединения заданного сборочного узла имели приблизительно одинаковые размеры. Это также полезно, если нужно, чтобы для каждого элементарного детектора существовала по меньшей мере одна точка входной клеммы, например точка электрода истока, которая располагается на заданном расстоянии, которое приблизительно одинаково для каждого элементарного детектора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает пример известной электрической схемы пикселя, включающего инфракрасный элементарный детектор, в этом случае фотодиод, и согласующий транзистор в сборке с прямой инжекцией;
фиг.2 изображает частичную электрическую схему устройства детектирования электромагнитного излучения, использующего режим считывания элементарных детекторов типа микроболометра с помощью узла с прямой инжекцией известного типа, в котором согласующий транзистор p-МОП типа, собранный с общим затвором, ассоциируется с каждым детектором;
фиг.3 изображает частичную электрическую схему устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
фиг.4 изображает схематичный вид устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
фиг.5 изображает схематичный вид устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
фиг.6А и 6В изображает упрощенные частичные горизонтальные проекции устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, включающим в себя шестнадцать элементарных детекторов в сборочном узле;
фиг.7 изображает схематичный вид устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением, в котором некоторые межсоединения обладают повышенными сопротивлениями в результате частичного сужения их ширины;
фиг.8 изображает схему устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением, один сборочный узел которого содержит все элементарные детекторы в столбце элементарных детекторов,
фиг.9 изображает вид в разрезе устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением, включающего в себя два элементарных детектора в сборочном узле, подключенных к заданному согласующему транзистору.
Одинаковые, похожие или эквивалентные части разных чертежей имеют одинаковые числовые ссылки, чтобы облегчить переход с одного чертежа на другой.
Разные части, представленные на чертежах, не обязательно представлены в единообразном масштабе, чтобы сделать чертежи удобочитаемыми.
Пояснительные чертежи разных вариантов осуществления устройства в соответствии с изобретением приводятся в качестве примеров и не являются ограничивающими.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описание изобретения будет понятнее со ссылками на фиг.3, иллюстрирующую конкретный вариант осуществления изобретения.
Фиг.3 представляет упрощенную электрическую схему устройства 30 детектирования электромагнитного излучения, включающего несколько элементарных детекторов 32, 320 электромагнитного излучения, предпочтительно размещенных в матрицу по меньшей мере с одной строкой и/или по меньшей мере одним столбцом. Элементарные детекторы 32, 320 группируются в один или несколько сборочных узлов 300, причем каждый включает в себя несколько элементарных детекторов, и один сборочный узел 300 представлен на фиг.3.
В оставшейся части описания, в соответствии с данным выше определением, пиксель будет обозначать блок, образованный из элементарного детектора, переключателя и различных электрических соединений, которые характерны для этого элементарного детектора и этого переключателя.
К тому же будет считаться, что элементарные детекторы размещаются друг с другом с заданным интервалом для столбцов и другом заданным интервалом для строк, причем этот другой интервал отличается или идентичен интервалу столбцов. Площадь, заданная интервалом для столбца и интервалом для строки матрицы, называется площадью пикселя.
Наконец, будет считаться, что элементарные детекторы подключаются ко входной клемме устройства согласования полного сопротивления, а не к конкретной точке последнего. К тому же, если устройство согласования полного сопротивления является согласующим транзистором, имеющим исток и сток, то исток рассматривается как входная клемма.
Поэтому каждый сборочный узел 300 элементарных детекторов включает в себя несколько элементарных детекторов 32, 320; в этом случае он включает в себя два таких детектора на одной строке.
В дополнение к элементарным детекторам 32, 320 каждый сборочный узел 300 включает в себя одно устройство 33 согласования полного сопротивления, предпочтительно МОП-транзистор 33, собранный с общим затвором, называемый согласующим транзистором 33.
Однако устройство согласования полного сопротивления также может быть любым типом транзистора, имеющего низкое входное сопротивление, например биполярным транзистором, собранным с общей базой (обычно известным по аббревиатуре J.E.T.), или быть операционным усилителем с трансимпедансной сборкой, где операционный усилитель обладает низким входным полным сопротивлением, или может быть любым другим типом согласования полного сопротивления, известным специалисту в данной области техники, который совместим с технологическими ограничениями, относящимися к изобретению.
Согласующий транзистор 33 собирается с прямой инжекцией и способен создавать согласование полного сопротивления между элементарными детекторами 32, 320 и схемой 5 для захвата и формирования сигналов, подаваемых элементарными детекторами 32, 320; эта схема 5 захвата и формирования по возможности может быть общей для нескольких сборочных узлов 300. Элементарные детекторы 32, 320 предпочтительно являются микроболометрами, работающими при температуре окружающей среды и чувствительными к электромагнитному излучению, например инфракрасному излучению. В качестве варианта они могли бы быть фотодиодами или фотопроводниками.
В качестве альтернативы в другом варианте осуществления изобретения, особенно в случае элементарных детекторов 32, 320 фотодиодного типа, обеспечивающих детектирование электромагнитного излучения в видимом спектре, схема 5 захвата и формирования встраивается в устройство 33 согласования полного сопротивления, которое является общим с одиночным сборочным узлом 300. Шина B1 считывания затем подключает несколько схем 5 захвата и формирования к одной схеме, обеспечивающей анализ сигналов и формирование видеосигнала.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.3, элементарные детекторы 32, 320 состоят из микроболометров, и каждый сборочный узел 300 задается как имеющий устройство 33 согласования полного сопротивления, общее для всех элементарных детекторов 32, 320 сборочного узла. К тому же схема 5 захвата и формирования является общей для нескольких сборочных узлов 300.
Каждый сборочный узел 300 к тому же включает в себя переключатели 34, 340, причем каждый ассоциирован с элементарным детектором 32, 320. Переключатели 34, 340 являются, например, транзисторами, используемыми в качестве переключающей схемы.
Согласующий транзистор 33 каждого сборочного узла 300 может быть МОП P-типа, как представлено на фиг.3, или N-типа, или транзистором биполярного типа. В последних двух случаях напряжения поляризации, подаваемые на устройство детектирования электромагнитного излучения, будут изменены соответственно. Согласующий транзистор 33 и все согласующие транзисторы, представленные ниже, считаются имеющими затвор и имеющими исток и сток в электрическом контакте с электродом истока и электродом стока соответственно. Затвор имеет длину L и ширину W, произведение которых определяет площадь затвора.
Каждый элементарный детектор 32, 320 подключается к первой клемме 32.1, 320.1 электрода истока в согласующем транзисторе 33 рассматриваемого сборочного узла 300 посредством межсоединения 301, 302. Первые клеммы 32.1, 320.1 элементарных детекторов 32, 320 данного сборочного узла 300 подключаются друг к другу, а также к электроду истока данного согласующего транзистора 33 в качестве общего узла A. В соответствии с изобретением, межсоединения 301, 302, соединяющие каждый элементарный детектор сборочного узла с согласующим транзистором 33, который имеется только один, имеют приблизительно одинаковое значение электрического сопротивления. Известно, что сопротивление межсоединения пропорционально удельному сопротивлению материала, его составляющего, и длине межсоединения и обратно пропорционально поперечному сечению межсоединения.
Каждый элементарный детектор 32, 320 в сборочном узле 300 элементарных детекторов подключается второй клеммой 32.2, 320.2 к одному из переключателей 34, 340, что дает детектору возможность подключаться к первому источнику напряжения P1 или изолировать его от первого источника напряжения P1. Первый источник напряжения P1 может быть внутренним или внешним по отношению к устройству 30 детектирования электромагнитного излучения и дает возможность подавать ток считывания, который необходим для считывания изменения сопротивления элементарных детекторов 32, 320 под воздействием электромагнитного излучения, соответствующего сигналу, переданному элементарным детектором 32, 320. Первый источник напряжения P1 подключается к каждому переключателю 34, 340 через электрическое соединение C3. В качестве альтернативы переключатель 34, 340 может быть расположен на межсоединении, соединяющем элементарный детектор 32, 320 с устройством 33 согласования полного сопротивления.
Электрод стока в транзисторе 33 подключается к шине считывания B2, которая подключается к схеме 5 захвата и формирования, и предпочтительно к схеме 6 нижней отсечки.
Затвор согласующего транзистора 33 подключается через соединение C4 ко второму источнику напряжения P2, который является внутренним или внешним по отношению к устройству детектирования электромагнитного излучения. Второй источник напряжения P2 настраивается так, чтобы обеспечивать работу согласующего транзистора 33 в насыщенном режиме.
Схемы 5 захвата и формирования и схемы 6 нижнего ограничения аналогичны таковым из современного уровня техники. Примеры схем, представленные на этом чертеже, используются в качестве иллюстраций и не ограничивают изобретение. Эти схемы являются схемами, описанными на фиг.2; по этой причине они не описываются второй раз. Другие типы схем 5 захвата и формирования и схем 6 нижней отсечки могут свободно использоваться, не выходя в силу этого за объем изобретения.
В зависимости от сборки фиг.3 в ситуации, в которой замыкается соответственно один из двух переключателей 34 или 340, электрический ток Ids считывания устанавливается между первым источником P1 напряжения и шиной B2 считывания, во-первых, через элементарный детектор 32 или 320, который подключен соответственно, а во-вторых, через один согласующий транзистор 33 сборочного узла 300.
Средство 350 управления, которое является примером известного уровня техники, например, включающим в себя регистр сдвига, спроектировано для последовательного замыкания в последовательном порядке различных переключателей 34, 340, присутствующих в заданном сборочном узле 300, так что в данный момент замыкается не более одного переключателя 34, 340 заданного сборочного узла. Это дает возможность току со значением, равным току Ids считывания, протекать по шине B2 считывания с сигналом, характерным для временного мультиплексирования сигналов, поставляемых различными элементарными детекторами 32, 320 сборочного узла 300.
В сборочном узле 300 один согласующий транзистор 33 дает возможность соединяться двум разным элементарным детекторам 32, 320. Из этого следует, что для заданного интервала между двумя элементарными детекторами 32, 320 согласующий транзистор 33 может иметь размер, который можно увеличить в два раза по сравнению с ситуацией, которая традиционна в современном уровне техники, содержащей один согласующий транзистор для каждого элементарного детектора. Это дает возможность улучшить отношение сигнал-шум в устройстве детектирования в соответствии с изобретением.
Конкретнее, элементарные детекторы 32, 320, определяющие первую плоскость, могут присутствовать в другой плоскости устройства 33 согласования полного сопротивления и схемы 5 захвата и формирования, определяющей вторую плоскость. Две плоскости преимущественно находятся одна над другой. Элементарные детекторы 32, 320 тогда могут находиться близко друг к другу, однако без соприкосновения. Таким образом, поскольку каждый элементарный детектор 32, 320 имеет заданную основную область, будет считаться, что площадь пикселя приблизительно равна основной области элементарного детектора 32, 320.
Если оно находится на второй плоскости относительно элементарных детекторов 32, 320, то устройство 33 согласования полного сопротивления может быть преимущественно расширено к элементарным детекторам 32, 320 в сборочном узле 300. Соответственно, можно произвести согласующий транзистор 33, имеющий площадь, приблизительно равную объединенной площади всех пикселей сборочного узла 300. Таким образом, согласующий транзистор 33 может иметь площадь затвора больше, чем по меньшей мере площадь пикселя или основная площадь элементарного детектора. Также можно произвести согласующий транзистор 33 так, что площадь затвора приблизительно равна сумме основных площадей нескольких элементарных детекторов 32, 320 в сборочном узле 300 или их всех. Подразумевается, что согласующий транзистор 33 в примере фиг.3 может иметь большую площадь затвора, например больше площади элементарного детектора 32, 320 или близкую к объединенной площади элементарных детекторов сборочного узла, в этом случае двух элементарных детекторов.
Электрическая схема фиг.3 показывает осевую симметрию второго порядка, преимуществом которой можно воспользоваться, чтобы создать устройство детектирования электромагнитного излучения, в котором два межсоединения 301, 302, которые соединяют первые клеммы 32.1, 320.1 элементарных детекторов 32, 320 с электродом истока транзистора 33, имеют приблизительно одинаковые длины и сечения. Эти межсоединения 301, 302 тогда имеют приблизительно равные электрические сопротивления при условии, что они произведены из одинакового материала. Если они не равны точно, то их сопротивления по меньшей мере сопоставимы. Эта конфигурация межсоединений 301, 302 дает возможность оптимизировать создание общего узла A, особенно чтобы уменьшить пространственный шум устройства детектирования электромагнитного излучения.
Далее будет показано, что межсоединения могут иметь разную геометрию, также имея при этом приблизительно равные значения электрического сопротивления.
Изобретение станет понятнее в сочетании с фиг.4 и 5, которые иллюстрируют частичную схематическую горизонтальную проекцию первого варианта осуществления и второго варианта осуществления устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением.
Фиг.4 и 5 - функциональные схемы вариантов осуществления изобретения. Разные элементы схемы представляют собой функции и компоновку разных функций. Функциональные схемы не стремятся предоставить информацию касательно соответствующих размеров разных элементов устройства детектирования электромагнитного излучения или подтвердить или опровергнуть тот факт, что элементы можно расположить вертикально относительно друг друга. Некоторые элементы могут быть пропущены, чтобы упростить прочтение схемы. Объем изобретения не ограничивается функциональными схемами этих чертежей.
Фиг.4 схематически представляет устройство 30 детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением, включающее в себя несколько элементарных детекторов 22, 220, сгруппированных в несколько сборочных узлов 300, 300' элементарных детекторов 22, 220, размещенных в матрицу по меньшей мере с одной строкой и одним столбцом. Сборочные узлы представлены пунктирными линиями. Различные элементарные детекторы объединяются на непредставленной подложке. В этом варианте осуществления представлена часть из двух столбцов матрицы. Поскольку каждый столбец содержит по меньшей мере два сборочного узла 300, 300' с двумя элементарными детекторами, элементарные детекторы 22, 220 сборочного узла 300, 300' принадлежат заданному столбцу матрицы. Каждый столбец элементарных детекторов подключается к шине B2, B2' считывания, способной передавать сигнал, исходящий от элементарных детекторов 22, 220 сборочных узлов 300, 300', от столбца в схему 5, 5' для захвата и формирования сигнала, подаваемого рассматриваемыми элементарными детекторами. Схема 6, 6' нижней отсечки также подключается к каждой шине B2, B2' считывания. Элементарные детекторы 22, 220 размещаются относительно друг друга с заданным интервалом в заданной строке и с другим интервалом, который может быть одинаковым или отличным от предыдущего, в заданном столбце матрицы.
Каждый сборочный узел 300, 300' включает в себя элементарные детекторы и другие электрические схемные элементы; элементарные детекторы и другие электрические схемные элементы предпочтительно объединяются в две отдельные плоскости, расположенные одна над другой, в соответствии с монолитной или гибридной архитектурой, как описано выше.
Электрические схемные элементы включают в себя одиночное устройство согласования полного сопротивления, в этом случае принимающее вид согласующего транзистора 33, 33', общего для элементарных детекторов данного сборочного узла 300, 300', один непредставленный переключатель для каждого элементарного детектора 22, 220 и межсоединений между элементарными детекторами 22, 220 и согласующим транзистором 33, 33', как ранее описывалось на фиг.3.
Каждый элементарный детектор 22, 220 подключается первой клеммой к согласующему транзистору 33, 33', который соединяет его с шиной B2, B2' считывания. Для упрощения чертежа представлены не все схемные элементы, и в частности не показаны переключатели.
Чтобы совершить захват сигналов, подаваемых каждым из элементарных детекторов устройства детектирования электромагнитного излучения, совершается последовательное считывание для каждого столбца разных элементарных детекторов в моменты, которые хронологически указываются на фиг.4 символами T1, T2, T3 и T4.
В момент T1 одновременно считываются элементарные детекторы 22 первой строки, во всех столбцах, где переключатель (непредставленный) соединяет их с первым источником напряжения (непредставленным), и где току считывания разрешено протекать в этих элементарных детекторах 22. Считываемые элементарные детекторы 22 подключаются, через согласующие транзисторы 33, 33', из их сборочного узла, присутствующего в первой строке 41 согласующих транзисторов 33, 33', к другим схемам 5, 5' захвата и формирования, расположенным в основании каждого из столбцов.
В момент T2 выполняется считывание второй строки элементарных детекторов 220, соответствующих вторым элементарным детекторам ранее измеренных сборочных узлов, по-прежнему через первую строку 41 согласующих транзисторов 33, 33'.
В момент T3 считывается третья строка элементарных детекторов 22, но через вторую строку 42 транзисторов 33, 33', где каждый из них принадлежит сборочным узлам 300, 300', отличным от узлов, элементарные детекторы которых считывались ранее. Эта вторая строка 42 согласующих транзисторов 33, 33' также будет использоваться в момент T4 для считывания четвертой строки элементарных детекторов.
Это последовательное считывание разных строк элементарных детекторов, называемое мультиплексированием, становится возможным посредством соответствующего управления переключателями, соединяющими элементарные детекторы 22, 220 с первым источником напряжения, подающим ток считывания, необходимый для считывания элементарных детекторов. Этот процесс, конечно, можно спроектировать для любого количества строк и для любого количества столбцов.
В соответствии с этим вариантом осуществления данный согласующий транзистор 33, 33' используется в двух разных моментах, чтобы восстановить поданный сигнал от двух отдельных элементарных детекторов 22, 220, поскольку согласующий транзистор является общим для двух элементарных детекторов в одном сборочном узле. Геометрически этот согласующий транзистор 33 находится в пределах посадочного места двух соседних элементарных детекторов 22, 220 заданного сборочного узла 300, и площадь затвора у согласующего транзистора 33 может быть пропорционально увеличена относительно случая, в котором было столько согласующих транзисторов, сколько элементарных детекторов, как описано выше в отношении фиг.2.
Электрод истока согласующего транзистора в сборочном узле может преимущественно располагаться равноудаленно от первых клемм двух элементарных детекторов 22, 220. Это расположение может использоваться для выполнения в каждом сборочном узле 300, 300' сборки, в которой два межсоединения, которые соединяют элементарные детекторы 300, 300' с электродом истока согласующего транзистора 33, 33', являются идеально одинаковыми в отношении их геометрии, определенной длинами и поперечными сечениями, то есть произведением их ширины и толщины, и по меньшей мере сопоставимыми в отношении их сопротивлений.
Преимущественно согласующий транзистор 33, 33' располагается во второй плоскости, отличной от первой плоскости, определенной элементарными детекторами 22, 220, как проиллюстрировано ниже на фиг.9. Две плоскости преимущественно располагаются вертикально относительно друг друга. Таким образом, как объяснялось в отношении фиг.3, площадь пикселя может быть близка к основной области элементарного детектора 22, 220, и можно получить согласующие транзисторы, площадь затвора которых может достигать значения, близкого к сумме основных областей двух элементарных детекторов 22, 220 в сборочном узле.
Если согласующие транзисторы 33, 33' находятся в той же плоскости, что и элементарные детекторы 22, 220, здесь также можно получить согласующие транзисторы 33, 33', которые в два раза больше, чем в случае, в котором согласующий транзистор 33, 33' подключается только к одному элементарному детектору.
В различных вариантах осуществления изобретения возможно, если элементарные детекторы в каждом сборочном узле 300, 300' принадлежат нескольким столбцам матрицы, подключить одну и ту же шину считывания к элементарным детекторам, принадлежащим нескольким столбцам матрицы, или несколько шин считывания для элементарных детекторов, принадлежащих одному столбцу матрицы, и/или мультиплексирование может происходить в заданной строке элементарных детекторов.
Фиг.5 изображает частичную схематическую горизонтальную проекцию второго варианта осуществления устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением, иллюстрирующую поясненную выше возможность.
Различные элементарные детекторы в устройстве 30 детектирования электромагнитного излучения в этом случае группируются в сборочные узлы 500, 500', причем каждый включает в себя четыре элементарных детектора 221, 222, 223, 224, установленных в две строки по два элементарных детектора. В каждом из сборочных узлов 500, 500' элементарные детекторы 221, 222, 223, 224 подключаются посредством межсоединений 201, 202 к одному устройству согласования полного сопротивления, принимающему вид согласующего транзистора 33, 33'. Межсоединения 201, 202 в этом случае представлены Т-образной формой и соединяют совместно два элементарных детектора 221, 222 или 223, 224 с согласующим транзистором 33, 33'. Согласующий транзистор 33, 33' подключается через шину B2, B2' считывания к схеме 5, 5' для захвата и формирования сигнала, подаваемого каждым из элементарных детекторов, и к схеме 6, 6' нижней отсечки. Согласующие транзисторы 33, 33' собираются с использованием прямой инжекции и способны обеспечить согласование полного сопротивления между элементарными детекторами 221, 222, 223, 224 в сборочных узлах 500, 500' и схемой 5, 5' захвата и формирования.
В этом случае два представленных сборочного узла 500, 500' образуют столбец сборочных узлов. К тому же каждый сборочный узел включает в себя элементарные детекторы, принадлежащие двум столбцам матрицы. Сборочные узлы подключаются чередующимся образом к заданному столбцу сборочных узлов к одной шине считывания среди двух шин B2, B2' считывания и к одной схеме 5, 5' захвата и формирования среди двух схем 5, 5' захвата и формирования. Таким образом, каждая шина считывания B2, B2' принимает сигнал, подаваемый элементарными детекторами, расположенными в двух столбцах матрицы, и ни одна из двух представленных шин B2, B2' считывания не подключается ко всем элементарным детекторам одного из столбцов матрицы. Эта конфигурация дает возможность существовать в среднем одной шине B2, B2' считывания для некоторого количества детекторов, сопоставимого с количеством элементарных детекторов, содержащихся в одном столбце.
Преимущественно каждая из схем 5, 5' захвата и формирования и каждая из шин считывания B2, B2' являются общими для нескольких сборочных узлов 500, 500', даже если представлены только два сборочного узла 500, 500'.
Поскольку сборочные узлы 500, 500' размещаются в виде строк, это обеспечивает последовательное считывание элементарных детекторов 221, 222, 223, 224 в хронологическом порядке, определенном символами T1, T2, T3 и T4 на фиг.5.
В момент T1 элементарные детекторы 221 двух представленных сборочных узлов одновременно подключаются к схеме 5, 5' захвата и формирования через согласующий транзистор 33, 33', ассоциированный с рассматриваемым сборочным узлом. Каждая из двух шин B2, B2' считывания поэтому принимает сигнал, поставляемый элементарным детектором, расположенным в том же положении относительно каждого сборочного узла.
В моменты T2, затем T3 и затем T4 один элементарный детектор 222, 223, 224 каждого сборочного узла 500, 500', и никогда один и тот же, подключается последовательно к схеме 5, 5' захвата и формирования. В каждых из этих моментов T1, T2, T3, T4 никакой ток считывания не протекает между остальными элементарными детекторами 221, 222, 223, 224 и согласующим транзистором 33, 33'.
Подразумевается, что если было бы несколько сборочных узлов 500, 500', подключенных к шине B2, B2'считывания, то последовательное считывание должно учитывать элементарные детекторы, которые они содержат, так что в заданный момент T только сигнал, поставляемый одним элементарным детектором, протекает в шине B2 считывания.
Здесь следует отметить, что возможны другие временные последовательности, не выходя при этом за объем изобретения.
В частности, другие сборочные узлы 500, 500', размещенные в заданной строке сборочных узлов, могут подключаться к одной шине B2, B2' считывания, обеспечивая экономию шин B2, B2' считывания в масштабе матрицы ценой большего времени мультиплексирования, чем в первом варианте осуществления, поскольку все элементарные детекторы, расположенные в двух столбцах матрицы, должны мультиплексироваться по одной шине считывания.
В соответствии с этим вторым вариантом осуществления заданный согласующий транзистор 33, 33' используется в четырех разных моментах T1, T2, T3, T4, для считывания четырех отдельных элементарных детекторов 221, 222, 223, 224 заданного сборочного узла 500, 500'. Этот согласующий транзистор 33, 33' геометрически находится в пределах посадочного места четырех элементарных детекторов в сборочном узле. Таким образом, площадь затвора согласующего транзистора может пропорционально регулироваться способом, упомянутым в отношении фиг.3 и 4. Поскольку он подключается к сборочному узлу, включающему в себя другие элементарные детекторы, распределенные по двум строкам и двум столбцам, размещение электрода истока согласующего транзистора получает выгоду преимущественно из осевой симметрии 4-ого порядка. Электрод истока может проектироваться так, что он размещается равноудаленно от первых клемм каждого из четырех элементарных детекторов. Он может принимать, например, П-образную форму, всегда имея по меньшей мере одну точку на постоянном расстоянии от первой клеммы каждого элементарного детектора. Эта мера дает возможность получить приблизительно одинаковые характеристики для всех элементарных детекторов сборочного узла и поэтому для всех элементарных детекторов матрицы. Особенно межсоединения 201, 202 имеют приблизительно равное значение сопротивления, и соответственно вызывают низкое паразитное сопротивление и образуют небольшой элемент составляющей пространственного шума.
Можно представить другие варианты осуществления, которые используют симметрии элементарных детекторов в соответствии с вариантами осуществления изобретения, чтобы спроектировать согласующие транзисторы в соответствии с изобретением.
В качестве примера фиг.6А и 6В являются представлениями третьего варианта осуществления устройства детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением, предназначенного для сборочного узла 600 с шестнадцатью элементарными детекторами 62. Фиг.6А иллюстрирует расположение шестнадцати элементарных детекторов 62, причем каждый имеет первую клемму 67 для подключения к устройству 63 согласования полного сопротивления, размещенному между ними с осевой симметрией четвертого порядка в виде четырех столбцов с четырьмя элементарными детекторами 62, объединенными в первую плоскость. Сборочный узел 600 поэтому включает в себя элементарные детекторы 62, происходящие из четырех столбцов и четырех строк матрицы, где каждый столбец сборочного узла принадлежит столбцу матрицы. Элементарные детекторы 62 подключаются второй клеммой 68 к первому источнику P1 напряжения посредством соединений C61-C64, по одному соединению для каждого столбца сборочного узла 600. Каждое соединение C61-C64 подключается к четырем элементарным детекторам 62 посредством электрических соединений 69, причем каждое включает в себя переключатель 64. Каждый переключатель 64 размещается так, что он способен подключать к соединению C61, C62, C63 или C64 только один элементарный детектор 62.
В соответствии с возможностями, предложенными ранее описанными монолитными или гибридными структурами, согласующий транзистор 63, общий для шестнадцати элементарных детекторов 62, располагается на второй плоскости, отличной от первой плоскости, заданной элементарными детекторами 62. Две плоскости преимущественно располагаются вертикально относительно друг друга. Соединения C61-C64 и/или электрические соединения 69 и переключатели 64 также могут располагаться на второй плоскости или на третьей плоскости. Вторая плоскость, включающая не только согласующий транзистор 63, будет подробнее описываться ниже в отношении фиг.6В. Сопоставление разных плоскостей будет подробнее объясняться ниже при описании фиг.9.
Согласующий транзистор 63 частично представлен на фиг.6А своим электродом 631 истока, определенным с использованием крупных точек, и своим электродом 632 стока, который показан с использованием небольших точек. В примере фиг.6 электрод 631 истока и электрод 632 стока имеют встречно-гребенчатую геометрию. Затвор транзистора не представлен для упрощения чертежа, но он проходит, как можно предположить, между истоком и стоком согласующего транзистора 63, которые не представлены. Затем он делится на несколько частей затвора, указывающих в направлениях столбцов элементарных детекторов 62 в сборочном узле 600. В конкретном случае этого варианта осуществления электрод 631 истока имеет форму "П" с ответвлением П, проходящим между первыми двумя столбцами элементарных детекторов слева на фиг.6А, и другим ответвлением П, проходящим между другими двумя столбцами элементарных детекторов справа на фиг.6А.
Электрод 632 стока образован так, что он использует встречно-гребенчатую конструкцию с электродом 631 истока. В этом случае он имеет форму гребня, включающего в себя несколько ответвлений, в которых каждое ответвление электрода 631 истока располагается между двумя соседними ответвлениями электрода 632 стока. В этом случае, поскольку электрод 631 истока имеет П-образную форму, электрод стока имеет форму гребня с четырьмя ответвлениями. В качестве альтернативы это может быть гребень с тремя ответвлениями, если представленные здесь второе и третье ответвления группируются вместе для образования только одного ответвления. Первые клеммы 67 разных элементарных детекторов 62 подключаются к электроду 631 истока согласующего транзистора 63 с помощью межсоединения 66.
В примере фиг.6А первые клеммы 67 электрически соединяются четыре на четыре в узле A, где узел A располагается в некоторой точке электрода 631 истока. Поэтому существуют четыре узла A, соединяющих элементарные детекторы 62 с электродом 631 истока.
Согласующий транзистор описывается более подробно при обзоре фиг.6B. Затвор 633 здесь сформирован из четырех частей, причем каждая расположена соответственно между ответвлением электрода 631 истока и ответвлением электрода 632 стока. Части затвора 633 широкие по сравнению с электродами 631 и 632 истока и стока; они занимают почти все пространство между ответвлением электрода 631 истока и ответвлением электрода 632 стока.
Таким образом, части затвора 633 принимают форму прямоугольников, приблизительно выровненных со столбцом элементарных детекторов 62 сборочного узла. Разные части затвора 633 подключаются друг к другу с помощью электрических соединений С65, чтобы образовать единый затвор 633, подключенный ко второму источнику P2 напряжения, обеспечивающему согласующему транзистору 63 возможность работать в режиме насыщения.
Электрод 632 стока подключается с помощью электрического соединения к шине B2 считывания.
На фиг.6В наблюдается возможное размещение 62', с использованием пунктирных линий, нескольких из шестнадцати элементарных детекторов сборочного узла 600, представленных на фиг.6А, расположенных на первой плоскости, отличной от второй плоскости, содержащей согласующий транзистор 63.
Если два ответвления электрода 632 стока находятся близко и не отделены ответвлением электрода 631 истока, то можно произвести согласующий транзистор, так что оба этих ответвления электрода стока соединяются в одно ответвление.
Этот вариант осуществления дает возможность произвести согласующий транзистор 63 значительного размера, который может находиться в пределах посадочного места шестнадцати элементарных детекторов 62, с площадью затвора, которая может быть больше основной площади детектора или больше основных площадей двух, трех, пяти, десяти или пятнадцати объединенных элементарных детекторов или более.
Конструкция в соответствии с этим вариантом осуществления может быть расширена до сборочного узла, содержащего более шестнадцати элементарных детекторов. Может быть, например, тридцать шесть элементарных детекторов, организованных в шесть строк и шесть столбцов, подключенных четыре на четыре к электроду истока. Электрод истока тогда имеет форму "Ш", гребня с тремя ответвлениями.
Можно получить двадцать четыре элементарных детектора в сборочном узле, образующих либо четыре строки по шесть столбцов, либо четыре столбца по шесть строк. Таким образом, электрод истока может соответственно иметь форму П или Ш.
Так как в каждом варианте осуществления изобретения, в котором элементарные детекторы на первой плоскости отличаются от второй плоскости, включающей в себя согласующий транзистор, площадь затвора согласующего транзистора может быть больше либо равна 60%, 75%, 80% или даже 90% площади сборочного узла, определенной как сумма основных площадей всех элементарных детекторов сборочного узла.
Оставшаяся часть площади сборочного узла на второй плоскости, которая иллюстрируется ниже на фиг.9, необходима для:
- образования электродов истока и стока,
- образования истока и стока под этими электродами,
- передачи шины считывания, образования электрических соединений, питающих затвор, переключатели, управляющие соединения для организации мультиплексирования считывания посредством переключателей, и все другие электрические или электронные элементы, необходимые для работы детектора, и в особенности фотодиода или микроболометра.
Одно из преимуществ производства согласующего транзистора с электродом истока, образующим гребень, ответвления которого разнесены по двум столбцам элементарных детекторов, состоит в том, что можно создать очень короткие межсоединения, которые имеют одинаковую геометрию. В результате все межсоединения имеют приблизительно одинаковое значение электрического сопротивления.
Изобретение предпочтительно включает в себя межсоединения, соединяющие каждый элементарный детектор с устройством согласования полного сопротивления, имеющие приблизительно равные размеры для того, чтобы иметь приблизительно равные сопротивления.
В дополнение к сопротивлению из-за электромагнитного излучения каждая схема захвата и формирования получает остаточное полное сопротивление, включающее в себя, во-первых, сопротивление межсоединений, а во-вторых, локальное полное сопротивление между устройством согласования полного сопротивления и схемой захвата и формирования. Это полное сопротивление уменьшается устройством согласования полного сопротивления. Таким образом, по всей матрице остаточные полные сопротивления приблизительно одинаковы, и присутствует общее сокращение паразитных сопротивлений.
Однако можно получить равенство значения сопротивления межсоединений, задавая межсоединениям разные размеры относительно друг друга. В частности, можно получить приблизительно равные сопротивления для элементарных детекторов, расположенных на разных расстояниях от одного устройства согласования полного сопротивления.
Для выполнения этого настоящее изобретение предлагает искусственно увеличить сопротивление по меньшей мере одного межсоединения, исходящего из элементарного детектора, близкого к устройству согласования полного сопротивления, относительно сопротивления межсоединения, выведенного из другого элементарного детектора дальше от устройства согласования полного сопротивления, так что сопротивления двух межсоединений приблизительно равны. Обратное возможно путем уменьшения сопротивления межсоединения, исходящего из более удаленного элементарного детектора.
Фиг.7 иллюстрирует конкретный пример этого варианта осуществления изобретения, в частности, когда не образуется никакой конкретной симметрии в компоновке между элементарными детекторами сборочного узла.
Сборочный узел 700 включает в себя первый, второй и третий элементарный детектор, соответственно обозначенные, слева направо, 721, 722 и 723 и размещенные в первой плоскости, размещенные в строку. На второй плоскости, отличной от первой плоскости, образуется согласующий транзистор 73, который является общим для трех элементарных детекторов. Две плоскости размещаются одна над другой, причем элементарные детекторы 721, 722, 723 обращены по меньшей мере к части согласующего транзистора 73. Согласующий транзистор 73 включает в себя исток, расположенный в области третьего элементарного детектора 723, сток 732, расположенный в области первого элементарного детектора 721, и затвор 733, вставленный между истоком 731 и стоком 732. Затвор 733 находится по меньшей мере под вторым элементарным детектором 722 и под частью первого и третьего элементарных детекторов 721 и 723. Электрод 7310 истока располагается в области третьего элементарного детектора 723. Третий элементарный детектор 723 находится ближе к электроду 7310 истока, чем второй элементарный детектор 722, который сам по себе ближе к первому элементарному детектору 721.
Элементарные детекторы 721, 722, 723 подключаются соответственно к электроду 7310 истока посредством межсоединений 74, 75, 76.
Таким образом, чтобы компенсировать изменения сопротивления между этими межсоединениями из-за разностей в расстоянии между элементарными детекторами 721, 722, 723 и электродом 7310 истока, пример фиг.7 предлагает искусственно увеличить сопротивления двух межсоединений 75, 76, исходящих из элементарных детекторов 722, 723, ближайших к электроду 7310 истока, чтобы сделать их приблизительно равными сопротивлению межсоединения 74, исходящего из элементарного детектора 721, наиболее отдаленного от электрода 7310 истока.
Кратчайший возможный путь определяется для соединения элементарного детектора с электродом истока, принимая во внимание относительные положения и препятствия других элементарных детекторов, других межсоединений и электрода истока. Поэтому можно задать кратчайшую возможную длину для соединения элементарного детектора с электродом истока.
Одним средством увеличения сопротивления межсоединения является увеличение длины межсоединения сверх кратчайшей возможной длины.
Однако это решение, которое представляет интерес, может перегрузить устройство детектирования длинами межсоединений, не служащими никакой цели.
Межсоединения обычно выполняются с сечением межсоединения, которое в устройстве детектирования электромагнитного излучения приблизительно равно для всех межсоединений. С этого момента далее мы будем называть такое сечение, которое является общим для большинства межсоединений или по меньшей мере части большинства межсоединений, термином "номинальное сечение". К тому же межсоединения задаются как имеющие заданную длину.
Изобретение предлагает ввести сужение сечения межсоединения, у которого нужно увеличить сопротивление, по меньшей мере на участке его длины или по всей его длине. Такое сужение сечения приводит к большему сопротивлению. В результате адаптации длины участка, имеющего меньшее сечение, можно изменить значение увеличения сопротивления. Такое уменьшение сечения 79, 79' представлено в межсоединениях 75, 76, соединяющих второй и третий элементарные детекторы 722, 723 с электродом 7310 истока.
Также можно объединять оба способа, например, путем увеличения длины межсоединения до большей, чем кратчайшая возможная длина, и к тому же путем уменьшения сечения на заданной длине.
Если, наоборот, целью является уменьшение сопротивления межсоединений, исходящих из элементарных детекторов дальше остальных элементарных детекторов, то можно расширить сечение этих межсоединений, по меньшей мере на участке их длины или по всей их длине.
Таким образом, можно расширить сечения некоторых межсоединений, у которых нужно уменьшить сопротивление, и уменьшить сечение и/или увеличить длину некоторых межсоединений, у которых нужно увеличить значение сопротивления.
Такой способ дает возможность создавать сборочные узлы, в которых значение сопротивления приблизительно равно для всех межсоединений, не требуя никакой симметрии в компоновке элементарных детекторов. Например, может быть нечетное количество элементарных детекторов. Соответственно, нет необходимости стремиться создать электрод истока на равном расстоянии от различных элементарных детекторов. Это позволяет упростить производство и проектирование согласующих транзисторов. К тому же можно спроектировать согласующие транзисторы, имеющие оптимальный размер, и задать сборочные узлы элементарных детекторов на более позднем этапе, например, выбирая элементарные детекторы, обращенные к согласующему транзистору.
Предпочтительно создавать сборочные узлы, включающие в себя симметричные компоновки элементарных детекторов, чтобы уменьшить длины межсоединений и дать возможность проще получить межсоединения с приблизительно равным сопротивлением. Однако специалист в данной области техники сможет найти компромисс между облегчением достижения приблизительно равных сопротивлений и облегчением разработки транзисторов согласования полного сопротивления.
Фиг.8 иллюстрирует другой способ применения изобретения. Этот вариант осуществления предполагает, что элементарные детекторы 82 в заданном столбце 80 матрицы принадлежат заданному сборочному узлу элементарных детекторов и находятся в одной плоскости, называемой первой плоскостью. На второй плоскости, отличной от первой плоскости, создается транзистор 83 согласования полного сопротивления, общий для всех элементарных детекторов 82.
Согласующий транзистор 83 включает в себя электрод 831 истока, расположенный вдоль столбца 80 по всей длине столбца 80 элементарных детекторов, справа на фиг.8. Электрод истока располагается приблизительно на одной стороне элементарных детекторов 82 в столбце 80 детекторов и в другой плоскости.
Согласующий транзистор 83 включает в себя электрод 832 стока, расположенный вдоль столбца 80 по всей длине столбца 80 элементарных детекторов, обращенных к электроду 831 истока на другой стороне элементарных детекторов, слева на фиг.8, в плоскости, отличной от элементарных детекторов. Затвор 833 проходит приблизительно между электродом 831 истока и электродом 832 стока. Затвор 833 поэтому располагается на или под элементарными детекторами 82, совпадающими с направлением наблюдателя в отношении изучаемого устройства, в другой плоскости. Электрод 831 истока, электрод 832 стока и затвор 833 тогда не состоят в прямом электрическом контакте с элементарными детекторами 82.
Однако электрод 831 истока электрически соединяется с элементарными детекторами 82 посредством межсоединений 85. В примере фиг.8 по меньшей мере один участок электрода 831 истока обращен по меньшей мере к одному участку каждого элементарного детектора 82. В результате элементарные детекторы подключаются к электроду 831 истока более коротким путем. Например, для двух элементарных детекторов 82 вблизи межсоединение 85, исходящее из одного из элементарных детекторов 82, проходит между двумя элементарными детекторами. В соответствии с другим примером, могут быть вертикальные межсоединения, проходящие вертикально между плоскостью, где располагается электрод 831 истока, и первой плоскостью, содержащей элементарные детекторы 82.
Электрод 832 стока подключается к схеме 5 захвата и формирования.
В соответствии с этим вариантом осуществления, межсоединения 85 имеют приблизительно равные сопротивления. К тому же согласующий транзистор 83, который является общим для всех элементарных детекторов 82 в столбце 80, имеет такие размеры, что его крутизна максимально высокая.
Такой вариант осуществления можно изменить так, что сборочный узел создается из фрагмента столбца матрицы, то есть сборочный узел состоит из элементарных детекторов, образующих фрагмент столбца матрицы. Поэтому может быть несколько сборочных узлов в одном столбце. Возможна другая модификация этого варианта осуществления путем создания такого сборочного узла, чтобы он состоял из двух или более столбцов. Согласующий транзистор тогда является общим для элементарных детекторов, расположенных в двух или более столбцах матрицы.
Сборочный узел может быть образован из фрагментов столбцов, исходящих из двух или более столбцов, образующих группу столбцов. В этих случаях электрод истока преимущественно располагается вдоль длины элементарных детекторов в столбце, расположенном на одном конце группы столбцов, а электрод стока располагается вдоль длины элементарных детекторов в столбце, расположенном на другом конце группы столбцов. К тому же межсоединения имеют приблизительно равные сопротивления для всех элементарных детекторов. Таким образом, некоторые межсоединения должны обладать увеличенным сопротивлением относительно сопротивления, которое они бы имели, если бы они соединяли элементарные детекторы с электродом истока кратчайшим возможным путем.
Фиг.9 иллюстрирует сечение варианта осуществления устройства детектирования в соответствии с изобретением, показывающий два элементарных детектора 92, 92' в заданном сборочном узле, находящихся в первой плоскости G, и согласующий транзистор 93, находящийся во второй плоскости G'. Первая плоскость G и вторая плоскость G' располагаются одна над другой, и согласующий транзистор 93 обращен к двум элементарным детекторам 92, 92'.
Элементарные детекторы 92, 92' могут размещаться в области слоя из диэлектрического материала 94, называемого диэлектрическим слоем, который присутствует на подложке 90. Вторая плоскость G' задается интерфейсом между диэлектриком 94 и подложкой 90.
В диэлектрическом слое 94 присутствует следующее:
- электрод 931 истока и электрод 932 стока,
- шина считывания B2, подключенная к электроду 932 стока,
- межсоединения 921 и 921', соединяющие элементарные детекторы 92, 92' с электродом 931 истока,
- электрод 95 затвора.
С целью упрощения чертежа, не представлены ни переключатели, ни электрические соединения, соединяющие элементарные детекторы с переключателями,.
Межсоединения 921, 921', электрические соединения и шина считывания B2 могут рассматриваться либо как находящиеся во второй плоскости G' в том смысле, что они включаются между элементарными детекторами 92, 92' и подложкой 90, либо как находящиеся в других плоскостях, вставленных между первой и второй плоскостями, либо как находящиеся в других плоскостях, вставленных между первой и второй плоскостями G, G'.
Как вариант, некоторые элементарные детекторы 92' или все могут отделяться от диэлектрического слоя 94 воздушным пространством 97. Воздушное пространство может по возможности находиться при низком атмосферном давлении. Это может быть индивидуальным для каждого рассматриваемого элементарного детектора 92' или общим для нескольких из них. Эти элементарные детекторы 92', отделенные от диэлектрического слоя 94 воздушным пространством, предпочтительно механически подключаются к диэлектрическому слою 94 с помощью одной или нескольких опор 98, 98'. Опоры преимущественно могут быть штырями. Они предпочтительно расположены на крае элементарного детектора 92' и используются для удержания элементарного детектора 92' в неподвижном положении относительно диэлектрического слоя 94. Некоторые из этих штырей могут быть образованы участком межсоединения 921', соединяющим элементарный детектор с электродом 931 истока в согласующем транзисторе, или содержат участок межсоединения 921'.
Подложка 90 включает в себя исток 901 и сток 902, подключенные соответственно к электроду 931 истока и электроду 932 стока.
Исток 901 и сток 902 преимущественно размещаются так, чтобы располагаться в двух противоположных концах сборочного узла, определенного двумя элементарными детекторами 92, 92', соответственно слева и справа на фиг.9.
Затвор 95 проходит между истоком и стоком в диэлектрическом слое 94, изолированном от подложки 90 оксидным слоем затвора 96. Затвор имеет длину L больше одного интервала P, повторяющегося между элементарными детекторами 92, 92'.
Один из двух элементарных детекторов 92 находится ближе к электроду 931 истока, чем другой из двух элементарных детекторов 92'. Затем представляется участок 97 межсоединения, обеспечивающий увеличение сопротивления межсоединения 921, соединяющий с электродом 931 истока элементарный детектор 92, ближайший к электроду 931 истока.
В различных вариантах осуществления изобретения, которые ранее представлены применительно к фиг.3, можно объединять в каждом сборочном узле не только одиночное устройство согласования полного сопротивления, но также и схему захвата и формирования. Эта ситуация в основном подходит для устройств детектирования электромагнитного излучения в видимых длинах волн, включающих в себя элементарные детекторы фотодиодного типа.
Изобретение дает возможность увеличить площадь затвора у согласующего транзистора пропорционально количеству элементарных детекторов, присутствующих в той же подгруппе, не внося никакие паразитные сопротивления, которые создают разный пространственный шум для каждого элементарного детектора в подгруппе. Результатом этого, во-первых, в соответствии с описанным выше соотношением (3), является то, что уменьшается шум из-за согласующего транзистора, и что соотношение сигнал-шум в устройстве детектирования электромагнитного излучения увеличивается соответственно по сравнению с устройством в упоминаемом патенте [3].
Второе преимущество, относительно соотношения (3), состоит в том, что можно увеличить ток считывания в каждом элементарном детекторе по сравнению с известным уровнем техники в той же пропорции, что и увеличение площади затвора, обеспечиваемое изобретением, не внося никакого дополнительного шума, исходящего из согласующего транзистора.
Из этого следует, особенно когда элементарный детектор относится к типу болометра или микроболометра, что можно получить заметное изменение сопротивления микроболометра в усиленном виде соразмерно увеличению тока считывания. Поэтому сигнал, доставляемый элементарными детекторами, может подвергаться усилению. Здесь также это дает возможность улучшить соотношение сигнал-шум в устройстве детектирования электромагнитного излучения в соответствии с изобретением.
Это преимущество особенно ценится в элементарных детекторах с небольшой основной площадью, с интервалом менее 25 мкм, которые имеют побочный эффект в виде небольшой области захвата падающего электромагнитного излучения и которые поэтому требуют всего возможного усиления подаваемого сигнала.
Другое преимущество, предоставленное при использовании большей области для проектирования согласующего транзистора, состоит в том, что можно независимо регулировать длину L и ширину W затвора в согласующем транзисторе. Таким образом, можно получить большую крутизну согласующего транзистора и, следовательно, больший коэффициент инжекции, определенный соотношением (1).
Этот эффект возникает в дополнение к преимуществу, уже обеспеченному в результате увеличения тока считывания, которое также вносит вклад в увеличение крутизны, и эти два эффекта объединяются для получения улучшенного восстановления подаваемого сигнала, а поэтому улучшенного соотношения сигнал-шум в устройстве детектирования электромагнитного излучения.
Увеличенная крутизна, обеспеченная изобретением, также может использоваться для выполнения соединения с прямой инжекцией элементарных детекторов, которые обладают низким динамическим полным сопротивлением. Это может касаться, например, болометров или микроболометров с низким электрическим сопротивлением. Последние необходимы, в частности, когда нужно использовать транзисторную технологию, питаемую низким напряжением, как в случае, например, с технологиями КМОП, наиболее продвинутыми в показателях фотолитографического разрешения. В результате увеличения тока считывания и соотношения сигнал-шум можно использовать элементарные детекторы, которые обладают меньшим собственным влиянием на сопротивление и которые в противном случае могли бы скрываться шумом.
Использование транзисторов, имеющих большую площадь затвора, также предлагает более равномерные характеристики, особенно более равномерные пороговые напряжения в масштабе устройства детектирования электромагнитного излучения, что уменьшает постоянный пространственный шум, образованный в пикселях матрицы. Конечно, известно, что при уменьшении длины L затвора приблизительно на 2 мкм разбросы пороговых напряжений вносят значительное увеличение в постоянный пространственный шум из-за согласующего транзистора. Конечно, чтобы получить заданную поляризацию, необходимо увеличить ширину W согласующего транзистора, но это также потребует, чтобы увеличилась длина L согласующего транзистора. Это трудно при современном уровне техники, но возможно при использовании данного изобретения.
Изобретение также указывает на возможность образования согласующего транзистора с прямой инжекцией, имеющего большую площадь затвора, общий для нескольких элементарных детекторов, извлекая при этом выгоду из единообразного электрического соединения для всех элементарных детекторов в устройстве детектирования электромагнитного излучения. Это свойство единообразия особенно касается сопротивления межсоединений, расположенных между элементарными детекторами и электродом истока каждого согласующего транзистора. Это сопротивление известно как особенно важное в отношении постоянного пространственного шума, который по-разному влияет на каждый пиксель устройства детектирования электромагнитного излучения.
Изобретение также предоставляет решение для создания датчика изображений, или формирователя изображений, который обладает как пониженным временным шумом посредством использования согласующих транзисторов, имеющих большую площадь затвора, так и пониженным пространственным шумом в пикселях посредством совместного использования согласующих транзисторов, имеющих большую площадь затвора, и единообразного соединения посредством сопротивления приблизительно равных межсоединений.
Другое преимущество изобретения по сравнению с некоторыми вариантами осуществления современного уровня техники состоит в том, что можно получить транзисторы согласования полного сопротивления, имеющие большую площадь затвора, общие для сборочного узла элементарных детекторов, которые располагаются в непосредственной близости друг к другу в матрице и которые могут принадлежать разным столбцам и строкам матрицы. Эта компоновка исключает отличие разных столбцов или разных строк матрицы и препятствует появлению пространственного шума с колоночным или строчным составным элементом, который особенно вреден для качества и для использования всех изображений, созданных устройством детектирования электромагнитного излучения. Конечно, можно образовать сборочные узлы с элементарными детекторами, так что схемы захвата и формирования сигнала не подключаются ко всем элементарным детекторам заданного столбца.