Фотоприемные приборы с зарядовой связью
Фотоприемный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) представляет собой фоточувствитель - ную ИМС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) с системой диодов, расположенных на поверхности диэлектрика так близко друг от друга, что существенным становится их взаимовлияние. Электрические поля соседних электродов перекрываются внутри кристалла полупроводника.
Электроды располагаются в виде линейки (строки) или матрицы. Типичные размеры электрода: длина — 5 мкм, ширина — 40 мкм. Зазоры между электродами — 1.. .2 мкм. Число электродов в матричном ФПЗС может превышать 10б.
Ф Рис. 6.23. Трехфазная схема управления ФПЗС |
Функционально ФПЗС — это прибор, воспринимающий изображение, осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, сканирование (поэлементное электронное считывание) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению.
Принцип действия ФПЗС можно пояснить, рассматривая классическую трехтактную схему управления (рис. 6.23).
Элементарная ячейка ФПЗС содержит три соседних электрода 1,2,3 одной строки. В течение первой фазы к электроду 2 прикладывается положительно напряжение хранения ([/хр = 10...20 В).
Благодаря возникающему электрическому полю основные носители
Дырки — оттесняются в глубь полупроводника, а у поверхности образуется обедненный слой, глубиной 0,5...2мкм, представляющий собой потенциальную яму для электронов. Освещение поверхности
порождает в объеме полупроводника электронно-дырочные пары. При этом электроны втягиваются в потенциальную яму и локализуются в тонком (около 10 нм) приповерхностном слое. Накопление электронов ведет к образованию зарядового пакета, который определяется локальной интенсивностью и временем засветки. Зарядовый пакет может относительно долго (от 1 до 100 мс) сохраняться, однако постепенно термогенерация электронов объемными и поверхностными ловушками приводит к искажению хранимой информации.
Во время второй фазы к электроду 3 прикладывается напряжение считывания 1/сч, превышающее напряжение [/хр. Вследствие близости электродов 2 и 3 барьер между ними исчезает, и зарядовый пакет перетекает в более глубокую потенциальную яму. На этой фазе так происходит частичная потеря информации: часть электродов зарядового пакета рекомбинирует при взаимодействии с поверхностными ловушками, а часть пропадает вследствие неполного перетекания зарядов. Во время третьей фазы напряжение на электроде 3 уменьшается до напряжения хранения [/хр, а с электрода 2 потенциал снимается. На электродах, к которым не приложено напряжение хранения или считывания, все время поддерживается небольшое напряжение смещения [/см. Электрод 1 в этом процессе играет роль буфера. Иначе справа от электрода 2 оказался бы электрод 3 предыдущей ячейки, и во втором такте зарядовый пакет равновероятно мог перетекать как вправо, так и влево.
Управление ФПЗС желательно осуществлять не прямоугольными, а трапециидальными импульсами, подаваемыми на электроды с небольшим временным перекрытием. В конце каждой строки имеется элемент вывода, например п — область под последним электродом. Вытекающий через /7-и-переход зарядовый пакет создает на нагрузочном резисторе выходной сигнал.
Аналогичный элемент ввода в начале строки служит для потактного введения (электрическим путем) в ФПЗС фоновых постоянных зарядовых пакетов, призванных «забить» поверхностные ловушки и ослабить их негативное действие. Фоновые заряды обеспечивают оптимальный рабочий режим (аналогично смещению используемому в электронных усилительных зарядах).
Таким образом, в ФПЗС пространственное распределение интенсивности излучения преобразуется в рельеф электрических зарядов, локализующихся в приповерхностной области. Зарядовые пакеты перемещаются от элемента к элементу, выводятся наружу и дают последовательность видеоимпульсов, адекватную полю излучения, таким образом осуществляется стандартный телевизионный алгоритм восприятия образца.
В матричном ФПЗС весь кадр образуется одновременно, в линейных — последовательно путем дополнительной развертки по второй координате.