ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

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.

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.