Изучение фото ПЗС

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ~ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Лабораторная работа «Исследование фотоприемника на приборах с зарядовой связью» Москва, 200б г. Фотоприемники на приборах с зарядной связью. Фотоприемники на приборах с зарядной связью относятся к классу интегральных фотоприемников. Интегральным фотоприемником называется прибор, включающий ряд фотоприемников, выполненных в едином монокристалле и объединенных общей системой управления. Основная характерная особенность фотоприемников класса ПЗС состоит в том, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве электронных приборов, а зарядом. Причем, если в обычных ПЗС входной электрический сигнал вводится в виде пакета зарядов, то в фото ПЗС входным сигналом является световой поток.

Принцип действия фотоПЗС основан на эффекте собственного поглощения фотонов света в полупроводнике. Конструктивно фотоПЗС выполняется в виде ряда элементарных МДП конденсаторов с прозрачными в рабочей области спектра излучения затворами. Система управления устанавливает на конденсаторах определенный набор управляющих напряжений, создающих в подзатворных областях электрическое поле с определенным распределением напряженности ~так называемые потенциальные ямы). Если энергия фотонов падающего света Ы >ЛЕ, — идет процесс генерации фотоэлектронов и фотодырок. Основные носители выбрасываются полем из потенциальной ямы, а неосновные — скапливаются в ней.

Величина пакета заряда неосновных носителей в каждом элементарном МДП конденсаторе будет пропорциональна интенсивности падающего на него света и времени накопления заряда. На величину пакета заряда влияет ряд факторов и концентрация неосновных носителей пакета мснястся во времени по закону. где Сг - скорость генерации фотоносителей; Сг- скорость термогенерации; Ср- скорость рекомбинации. Очевидно, что термогенерация и рекомбинация - мешающие процессы, ухудшающие качество фотоПЗС.

Термогенерация добавляет лишние неосновные носители, не связанные с интенсивностью падающего света, а рекомбинация уменьшает количество фотоносителей. Таким образом, величина пакета заряда в МДП конденсаторе пропорциональна интенсивности света и времени накопления заряда 1экспозиции), но храниться пакет может ограниченное время. Конструктивная особенность ПЗС состоит в том, что элементарные МДП конденсаторы расположены друг от друга на расстоянии меньше 1 мкм. Поэтому соседние потенциальные ямы имеют прозрачные границы между ними, и пакет заряда неосновных носителей переносится в потенциальную яму большей глубины.

Тем самым реализуется принцип зарядовой связи. Система управления ПЗС обеспечивает набор управляющих напряжений, позволяющих перемещать пакеты зарядов в нужном направлении и с нужной скоростью. Основными параметрами интегрального фотоПЗС являются: - неэффективность переноса заряда; - неравномерность темпового фона; - неравномерность чувствительности фотоячеек; - пороговая чувствительность; -динамический диапазон по освещенности; -крутизна свет-сигнальной характеристики. Основной характеристикой фотоП3 С является семейство свет- сигнальных характеристик Е4.=ДЕ) при Тд=сопз1, где ЕУс- выходной сигнал прибора; Е - освещенность фотоячеек; Тн - время накопления заряда.

Описание лабораторной установки. Функциональная схема лабораторной установки с использованием линейного фотоприемника К1200ЦЛ1 приведена на рисунке 1. На верхней панели стенда расположено закрытое непрозрачной крышкой окно, под которым в пенале расположены микросхема К12ОСЦЛ! и светодиод АЛ107. Непосредственно перед оптическим входным окном микросхемы К1200ЦЛ1 установлена мирра (непрозрачная пластина с прорезями). Излучаемый светодиодом АЛ107 световой поток с длиной волны около 1 мкм, проходя через мирру, создает в плоскости фотоячеек микросхемы распределение яркости, соответствующее прорезям мирры. На верхней панели стенда размещены: - переключатель времени накопления фотосигнала (Ти= 25, 50, 100, 200 и 400 мс); - ручка плавной регулировки освещенности в плоскости фотоячеек микросхемы К12ОСЦЛ 1.

Рисунок 1. Функциональная схема лабораторной установки. На задней стенке стенда расположены унифицированный разъем СШ-5 для подключения источника питания 15 В и клеммы для подключения осциллографа (" Выход", "Синхронизация", "Корпус",). Лабораторная установка позволяет исследовать следующие харак- теристики и параметры фотоПЗС: - неэффективность переноса зарядов; - неравномерность чувствительности фотоячеек; - зависимость пороговой чувствительности от времени накопления; -зависимость динамического диапазона освещенности от времени накопления; - семейство свето-сигнальных характеристик; - зависимость чувствительности по напряжению от времени накоп- лен ия. ПОРЯДОК ВЫПОЛ НБНИЯ РАБОТЫ 1.Изучите расположение и назначение измерительных приборов и органов управления стенда. 2.

Установите напряжение источника питания ь 15 В. Включите питание осциллографа, установите его в режим внешней синхронизации. Время прогрева стенда - не менее 5 минут. 3. Исследуйте неэффективность переноса зарядов фотоПЗС. Для этого на лицевой панели стенда установите: - регулировку освещенности фотоприемника в положение Е = 0 лк; - регулировку времени накопления фотозарядов Тл= 25 мс; - переключатель режима ввода информационного сигнала "Электрический — Оптг~ческий" ("Эл — Отп') в положение "Эл".

При включении тумблера управления режимом ввода сигнала в положение "Эл" на вход К1200ЦЛ1 поступает периодический, короткий положительный импульс, создающий одиночный зарядовый пакет. Этот пакет, перемещаясь к выходному затвору микросхемы, уменьшается за счет неэффективности переноса заряда. Зарисуйте полученную осциллограмму. т.тс,В Измерьте по экрану осциллографа величину первого (входного Юс1) и второго ~выходного ~Ус2) зарядовых пакетов и рассчитайте неэффективность переноса зарядов фотоПЗС: е- = 11с2 ~Ь'с1.Л~~ где Х= )032 - количество ячеек в регистре сдвига данного типа ПЗС, равное общему числу переносов заряда. 4.

Вычислите неравномерность чувствительности фотоячеек. Для этого переведите тумблер управления режимом ввода сигнала в положение Оопо~ и При средней освещенности фотоячеек (Е = 2 - 5 лк) установите время накопления Т~= 25 мс и зафиксируйте по экрану осциллографа минимальное и максимальное значения выходного сигнала бс,„., и Сс„ По результатам измерений вычислите неравномерность чувстви- тельности фотоячеек: '~ ~1с = Я1с мат ~1смии )~ 1-1смпкс 1Ю при Е=сопз1. 5.

Измерьте пороговую чувствительность Епор фотоприемника. Для этого при каждом Ти необходимо плавно увеличивать освещенность фото- ячеек от О до такой освещенности, когда на экране осциллографа появятся на фоне шумов центральные сигнальные "полоски". Эта освещенность, считанная по шкале регулировки освещенности, и есть пороговая чувствительность фотоприемника. Результаты измерений занесите в таблицу. По данным таблицы постройте зависимость Е «ого(Т~ф. б. Измерьте динамический диапазон фотоприемника. Для этого необходимо при каждом значении времени накопления Тн плавно увеличивать освещенность фотоячеек до ограничения наиболыпего пика выходного сигнала. Это значение освещенности соответствует Елико.

По полученным значениям освещенностей Е, и соответствующим значениям пороговой чувствительности Епор, рассчитайте динамический диапазон В, значение которого выразите в дБ по формуле: в=~О ~д~Е„,ж„„1. Результаты расчетов занесите в таблицу. По данным таблицы постройте зависимость |) ~(Ти.

7. Постройте семейство свет-сигнальных характеристик фотоприемника. Для этого необходимо при каждом значении времени накопления Тц измерить по экрану осциллографа уровень выходного сигнала с'о последовательно изменяя освещенность фотоячеек Е . В пределах Е= 0,1...1 лк брать значения освещенности с шагом 0,1 лк, далее - с шагом 2 лк. Результаты измерений занесите в таблицу. По данным таблицы постройте семейство свет-сигнальных характе- ристик Е~с=ЯЕ~ при То=соп$1. Ъ ма Для фиксированного значения освещенности Е=сопз$, соответствующей линейной части всех свет-сигнальных характеристик при малых освещенностях, отметьте на семействе свет-сигнальных характеристик рабочие точки.

В каждой точке рассчитайте чувствительность по напряжению К=~Ус/Е при То==сопз1. Результаты расчетов занесите в таблицу: 12. По данным таблицы постройте зависимость Я =ЯТо1 при Е = сопя|. Видно, что чувствительность прибора растет с увеличением времени накопления Тн. Предельный уровень выходного напряжения определяется эффектом заполнения потенциальных ям фотоносителями. .