Функциональные приборы с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью (ПЗС)' представляют собой приёмник изображе­ния (рис. 26) с фоточувствительной областью, содержащей единый фоточув­ствительный массив. К каждой секции примыкает горизонтальный регистр счи­тывания (рис. 27).

Рис. 26. Внешний вид фото­приемников на основе ПЗС

Рис. 27. Принцип действия ПЗС:

а - появление заряда под электродом с высоким напряжением; 6- перенос заряда к электроду с повышенным напряжением

Изображение, проецируемое на фоточувствительную область, вызывает фотогенерацию (образование электронно-дырочных пар). Под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф, пропорциональный освещенности и времени накопления.

Приборы с зарядовой связью содержат матрицы МОП-конденсаторов, расположенных достаточно близко друг к другу. По­следовательностью тактовых импульсов они поочередно получают напряжение смещения, которое переводит их в режим глубокого обеднения. Этим создаются условия для хранения зарядовых паке­тов под электродами матрицы и целенаправленного перемещения вдоль поверхности кристалла от одного конденсатора к другому.

В ПЗС растр изображения задается в процессе изготовления его структуры, причем с такой высокой точностью, что геометриче­ские искажения получаемого изображения определяются только ка­чеством оптического объектива. Жесткий растр позволяет также су­щественно ослабить микрофонный эффект (влияние акустических воздействий на ПЗС), практически полностью исключить влияние мешающих магнитных полей.

В ПЗС с поверхностным каналом зарядовые пакеты хранятся и перемещаются в приграничном слое полупровод­ник - диэлектрик (Si0₂), а в ПЗС со скрытым каналом - в толще полупроводника, в котором канал изготовлен специальным легиро­ванием. Чувствительность прибора к световому потоку отражает спек­тральная характеристика, которая показывает зависимость выходно­го сигнала ПЗС от длины волны электромагнитного облучения. Она определяется квантовым выходом (количеством сгенерированных фотоэлектронов на один фотон падающего светового потока), зави­сящим от уровня фотогенерации полупроводника и потерь проник­новения света при прохождении через электродную структуру. Све­товой поток, попадая на поверхность полупроводника, проходит затем через несколько тонких слоев, отличающихся своими оптическими параметрами, вызывая интерфе­ренцию, что находит свое отраже­ние в изрезанной спектральной ха­рактеристике. Для расширения спектраль­ной чувствительности толщину го­тового кристалла ПЗС уменьшают до 10 мкм и менее, а световой по­ток направляют на обратную сто­рону прибора, которая обработана специальным образом. Такое кон­структивное решение, хотя и дорогое, позволяет исключить отражение от электродов и весь поток на­править внутрь полупроводникового кристалла.

Другой характеристикой ПЗС является темновой ток -резуль­тат спонтанной генерации электронно-дырочных пар, вызывающей падение чувствительности особенно в низкочастотной части спек­тра. Типовые значения темнового тока лежат в пределах 0,2...0,6 нА/м и этот ток в обычных применениях незаметен, но в условиях длительной экспозиции - неприемлем. Темновой ток как термоди­намический процесс сильно зависит от абсолютной температуры. Для охлаждения ПЗС обычно применяют батареи термоэлектронного охлаждения с использованием эффекта Пельтье (при рабочем напряжении 5 В обеспечивают перепад около 70°С).

Перспективным является использование для создания высо­коскоростных ПЗС арсенида галлия, в котором электроны имеют вы­сокую подвижность. Так, некоторые ПЗС со скрытым; каналом на кристалле AsGa работают с тактовой частотой до 500 МГц.

Помимо матричных, широко используются линейчатые ПЗС -для считывания одномерных изображений (например, штрих-кодов, при сканировании, в передающей части факсимильных аппаратов). Накопительными элементами в таких ПЗС служат, как правило, фо­тодиоды, рядом с которыми располагаются регистры считывания четных и нечетных элементов, число которых колеблется в пределах 1024-4096.

Помимо использования ПЗС в качестве приемника изображе-ния, его с успехом можно применить как аналоговую линию задерж­ки, величина которой определяется тактовой частотой и количест­вом элементов регистра.

Контрольные вопросы

1. Какие компоненты ЭС относятся к полупроводниковым?

2. Объясните формирование ВАХ p-n-перехода.

3. Каков принцип действия биполярного транзистора?

4. Каков принцип действия полевого транзистора?

5. Каков принцип действия тиристора?

6. Чем вызвано появление функциональных компонентов ЭС?

7. Какие компоненты ЭС можно отнести к акустоэлектронным?

8. Какими преимуществами обладают кварцевые резонаторы?

9. Каково назначение пьезоэлектрических фильтров?

10. Каков принцип действия фильтра на поверхностных акустических волнах?

11. Какие функциональные относятся к оптоэлектронным?

12. Каково назначение и принцип действия приборов с зарядовой связью?