Бокшанский В.Б., Карасик В.Е. Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью (2001)

Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюМосковский Государственный Технический Университет им.Н.Э.БауманаБокшанский В.Б., Карасик В.Е.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕРАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮМосква, 2001 г.Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.1Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюСодержаниеВведение1. Принципы построения изображающих приборов с зарядовой связью2. Основные технические характеристики ФПЗС-камер3. Модуляционная передаточная функция ФПЗС-матрицы4. Алгоритм расчета основных характеристик изображающих оптикоэлектронных системЛитератураПриложение 1Приложение 2Приложение 3Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.2Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюВведениеСоздание в 1969 г.

приборов с зарядовой связью (ПЗС), а также успехив области разработки микроэлектронных структур привели к настоящейреволюции в технике формирования электронных изображений. В настоящеевремя фоточувствительные матрицы на основе ПЗС являются основнымэлементом не только видеокамер, но и электронных фотоаппаратов,сканеров, факсов, систем технического зрения роботов, военных икосмических приборов наведения, навигации и ориентации и многих другихсфер деятельности человека.Основной задачей данного методического пособия является выработкау студентов практических навыков при проведении расчетов систем, в составкоторых входит ФПЗС-матрица. Представленный краткий теоретическийматериал в трех первых разделах, посвященный физическим принципампостроенияФПЗС-матриц,иххарактеристикамимодуляционнойпередаточной функции матричного приемника излучения подкрепленпримерами решения задач в численном виде.Важнойотличительнойчертойданногопособияявляетсяпредставление Приложений с техническими характеристиками как ФПЗСматриц, так и современных видеокамер, облегчающих студентам выполнениесамостоятельных курсовых и дипломных работ.Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.3Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью1.

Принципы построения изображающих приборов с зарядовойсвязьюМатричные приемники излучения (МПИ) на основе приборов сзарядовой связью (ПЗС) вместе с интегрированными на единой платемикросхемами управления являются наиболее удобными формирователямивидеосигналавсилудостаточновысокогокачестваформируемогоизображения, простоты и компактности конструктивного исполнения,надежности, необходимости только одного напряжения питания и т.д.С момента изобретения Виллардом С. Бойлом и Джорджем Е.

Смитомв 1969 г. приборов с зарядовой связью и до настоящего временипринципиальных изменений в их конструкции не произошло. Основойфоточувствительного элемента ПЗС (ФПЗС) по-прежнему является МДПконденсатор, в котором в отличие от обычного конденсатора одна изобкладок представляет собой полупроводниковый материал с примеснойпроводимостью (обычно р-типа).

Отсюда сокращение МДП: металл –диэлектрик – полупроводник (см. рис.1). Если подать положительноенапряжение на металлическую обкладку (в дальнейшем - электрод) этогоконденсатора,топоднейсформируетсяэлектрическоеполе,распространяющееся через диэлектрик вглубь полупроводника. При этом вполупроводникепроизойдетпространственноеразделениезарядов:положительно заряженные дырки (основные носители для полупроводникар-типа) будут отталкиваться от границы раздела полупроводник-диэлектрик(т.е.поверхности полупроводника,граничащего черездиэлектрик сэлектродом), а неосновные (электроны) – скапливаться у поверхностиполупроводника.электроновмала,Посколькутовполупроводникеобразованнаяр-типаэлектрическимконцентрацияполемвобъемеполупроводника потенциальная яма для неосновных носителей (электронов)будет практически незаполненной.

Необходимо отметить, что минимальнымнапряжением на электроде является напряжение, при котором наступаетÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.4Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюПоликремниевыйэлектродСлойдиэлектрикаSiO2Стоп-каналр+-типа+UСтоп-каналр+-типаОптическое излучениеhνОбразование парыэлектрон - дыркар-типр-тип0,1…0,01мк200…300мкПолупроводник р-типаОсновные носители дыркиОбедненная основныминосителями область потенциальная ямаРис. 1. Структура классической ячейки ФПЗС (МДП-конденсатор)EcЗонапроводимости∆E зhν > ∆E з' - условие генерациифотоэлектрона∆E 'зСмещение дна валентной зоныв полупроводнике р-типа∆E υ'∆E υВалентная зонаРис.

2. Энергетическая диаграмма полупроводникаÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.5Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюинверсия приповерхностной зоны полупроводника, т.е. состояние, прикотором отсутствуют основные носители – дырки, а рассматриваемая зонастановится отрицательно заряженной.Таким образом, потенциальная яма заполняется электронами, а ееглубина зависит от геометрических параметров МДП-конденсатора ивеличины напряжения на электроде.Поступление неосновных носителей (электронов) в потенциальнуюяму обусловлено тремя причинами:1. Тепловой генерацией электронов.2. Воздействием электрического поля.3.

Генерацией фотоэлектронов в результате поглощения квантовоптического излучения.Тепловая генерация (термогенерация) электронов является результатомтеплового движения частиц, при котором возможна ионизация нейтральногоатома, т.е. образования пары электрон – дырка. Под действием внешнегоэлектрического поля, создаваемого электродом, дырка отталкивается в глубьполупроводника, а электрон остается в потенциальной яме.

Процесстермогенерации носит случайный характер и приводит к появлениютеплового шума.Генерацияфотоэлектроновобусловленапоглощениемфотоноввнешнего излучения, чья энергия hν превышает ширину запрещенной зоны∆Е’з используемого полупроводникового материала (см. рис. 2). Приоблучении ячейки ФПЗС фотоны, поглощенные нейтральными атомами вобедненной области, приводят к их возбуждению. В результате образуетсяпара: фотоэлектрон и ионизированный атом (дырка), которые разделяютсяэлектрическим полем. Фотоэлектрон остается в потенциальной яме, а дыркаперемещаетсявглубьполупроводника.Еслипродолжатьудерживатьположительное напряжение на электроде, будет происходить накоплениефотоэлектронов в потенциальной яме, а МДП-конденсатор – заряжаться.

Дляпредотвращения растекания накапливаемых фотоэлектронов в соседниеÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.6Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюобласти за счет диффузии, область потенциальной ямы ограничивают стопканалами.Для того, чтобы фотоны могли проникнуть в обедненную область,электрод изготавливают из поликремния с металлическим напылением такимобразом, чтобы он был прозрачен для входного излучения. В качестведиэлектрика используется окисел кремния SiO2 толщиной 0,1 … 0,01 мкм,поэтому МДП-конденсатор часто называют МОП-конденсатором (металлокисел-полупроводник).

В последнее время получил распространение способоблучения ФПЗС-ячейки со стороны полупроводника. При этом дляуменьшения потерь входного потока полупроводниковую подложку делаюттонкой (200…300мкм).ТакиеФПЗС-ячейки являютсяболеечувствительными к оптическому излучению, особенно в коротковолновойобласти спектра, поскольку в этом случае коэффициенты пропусканияэлектрода и окисла значения не имеют.Простейший фотоприемник на основе ФПЗС представляет собойполупроводниковую подложку с последовательно установленными на нейМДП-конденсаторами, играющими роль фоточувствительных ячеек.Длятого, чтобы считать накопленный заряд фотоэлектронов с каждого МДПконденсатора,используетсямеханизмпереносазарядаизоднойфоточувствительной ячейки в другую с использованием дополнительныхячеек–регистровпереноса(подключить«провода»ккаждойфоточувствительной ячейке не представляется возможным).Процесс накопления фотоэлектронов занимает определенное время Тн,называемое периодом накопления.

После этого происходит переноснакопленных зарядовых пакетов к выходному устройству, преобразующемузаряд каждой ячейки в напряжение. Это напряжение, сложенное с кадровымиистрочнымисинхроимпульсами,представляетсобойэлектрическийкомпозитный видеосигнал. В свою очередь, видеосигнал несет информациюоб изображении, принятом ФПЗС-приемником.Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.7Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюТаким образом, в процессе формирования изображения ФПЗСвыполняет четыре основные функции:1. Формирование заряда, обусловленного входным излучением.2. Накопление заряда.3.

Перенос заряда к выходному устройству.4. Преобразование заряда в напряжение.Формированиезаряда–способностьФПЗСпреобразовыватьпадающие фотоны в фотоэлектроны. Такая способность характеризуетсяквантовой эффективностьюη, представляющей собой отношение среднегочисла фотоэлектронов n ф , обусловленных поглощением среднего числафотонов N ф , к числу этих фотонов: η =nфNф100% .Значение квантовой эффективности всегда меньше 100 % и при этомсильно зависит от длины волны падающего излучения, т.е. η(λ). Тогдасреднее число фотоэлектронов, образующихся в одном элементе ФПЗС(МДП-конденсаторе) в единицу времени под воздействием падающегомонохроматического потока Фе,λ(λ), будет определяться выражением:nф =Фe,λ ( λ )hν tη( λ )τ( λ ) =Фe , λ ( λ )hcλη( λ )τ( λ ) ,где h = 6,626 ⋅10-34 Дж ⋅ с – постоянная Планка, с = 3 ⋅108 м/с – скоростьсвета, νt – временная частота света, τ(λ) – спектральная плотностькоэффициента пропускания материалов, через которые проходит входноеизлучение, прежде чем попасть в полупроводник.