Бокшанский В.Б., Карасик В.Е. Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью (2001), страница 2

Для того, чтобы найтисреднее число фотоэлектронов в единицу времени при воздействииполихроматического потока, необходимо воспользоваться формулой:nф =λ2Фe , λ ( λ )λ1hc∫λη( λ )τ( λ )dλ ,(1.1)где λ1, λ2 – длины волн, определяющие спектральный диапазончувствительности ФПЗС ячейки.Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.8η(λ),%Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью10018060402200100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 λ,нмРис.

3. Спектральные характеристики приемников излучения:1 - ФПЗС матрица, освещаемая со стороны подложки;2 - ФПЗС матрица, освещаемая со стороны электродовВходное излучениеМикролинзыЯчейки ФПЗС ( Aэ )Фоточувствительныеплощадки (Aф )Рис. 4. Схема конструкции ФПЗС матрицы с микролинзамиÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.9Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюТакимформироватьобразом,параметрами,сигнальныйзаряд,характеризующимиявляютсяспособностьспектральныйдиапазончувствительности ∆λ = λ2 - λ1, спектральная плотность квантовойэффективности η(λ), спектральная плотность коэффициента пропусканияτ(λ).

При этом, если η(λ) зависит от свойств полупроводникового материала,то τ(λ) зависит от конструкции и типа ФПЗС ячейки, а спектральныйдиапазон ∆λ = λ2 - λ1 – от того и другого.Как было сказано выше,современные ФПЗС-приборы освещаются со стороны тонкой подложки, чтоприводит к увеличению τ(λ) и, как следствие, расширению спектральногодиапазона ∆λ (см. рис. 3). Другим способом, позволяющим повыситьквантовую эффективность η(λ) и скорректировать спектральный диапазон ∆λявляетсяизготовлениекомбинированныхэлементов,объединяющихвысокочувствительный фотодиод и МДП-конденсатор.КаждыйэлементФПЗС(ячейка,пиксел)представляетсобойфоточувствительную зону, окруженную нечувствительной к свету областью,куда входят элементы регистров переноса, каналы стоп-диффузии и т.д.Соотношениемеждунимихарактеризуетсяфакторомзаполнения,представляющим собой отношение площадей фоточувствительной зоны Аф кобщей площади элемента Аэ: d = (Аф/Аэ)⋅100 %.

С целью максимизациинакопленного заряда необходимо, чтобы фоточувствительная область былакак можно больше. Одним из вариантов решения этой проблемы являетсяприменение микролинз (рис. 4). Сочетание фотодиодов и микролинз в ФПЗСструктурах получило название технологии «Hyper Head». У современныхФПЗС приемников фактор заполнения d достигает 100 %.НакоплениепотенциальнойзарядаямыпредставляетФПЗС-ячейкисобойпроцессфотоэлектронамизаполнения(зарядкаМДП-конденсатора). Максимальный заряд, который может накапливаться в такойячейке, будет определяться выражением: qmax = Cд Uэ , где Uэ- напряжение наэлектроде, Сд = εоεд/dд - емкость МДП-конденсатора, ε0, εд - диэлектрическиеÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.10Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюпроницаемости вакуума и диэлектрика соответственно, dд - толщинадиэлектрика.

При превышении значения qmax происходит переполнениепотенциальной ямы, и накопленный заряд перетекает в соседние ячейки. Этоявлениеназываетсяблюминг-эффектомипроявляетсянаэкраневидеомонитора в виде размазывания ярких участков изображения. Усовременных ФПЗС максимальное число накапливаемых фотоэлектроновсоставляет 106 ед. Кроме того, зарядовая емкость ячейки определяетдинамический диапазон ФПЗС. Динамический диапазон – это отношениемаксимальной облученности элемента (определяемой зарядовой емкостьюqmax) к минимальной (определяемой числом накопленных “шумовых”электронов), выраженное в [дБ]:D = 20 lgE max.E minПроцесс накопления характеризуется временем (периодом) накопленияТн, в течение которого происходит интегрирование по времени входногопотока (освещенности). Другими словами, накопленный ФПЗС-ячейкойзаряд q н (среднее число фотоэлектронов) пропорционален оптическойэнергии Q (экспозиции) входного излучения:e Tλe Tλqн =Фe ,λ (λ, t )η(λ)λdλdt = ∫∫ ∫ ∫ E e,λ ( x, y, λ, t )η(λ)λdλdtdxdy , (1.2)hc ∫0 λ∫hc А 0 λнн2ф121 Вт где Фe ,λ (λ, t ) - спектральная плотность энергетического потока , мкм попадающего на один элемент ФПЗС-матрицы, E e, λ ( x, y, λ, t ) - спектральнаяплотность энергетической облученности в плоскости ФПЗС-элементов Вт  м 2 мкм  .

В свою очередь экспозиция Q [ Дж ] определяется по формуле:Q=Tн λ 2Tн λ 20 λ1Аф 0 λ1∫ ∫ Фe ,λ (λ, t )dλdt =∫∫ ∫ ∫ Ee ,λ ( x, y, λ, t )dλdtdxdy .(1.3)Это означает, что один и тот же «сигнальный» заряд q н можнополучить как при малой освещенности и большом времени накопленияÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.11+U1Электроды+U+UРасчет характеристик2 фоточувствительных приборов3с зарядовой связьюU 3 > U1 > U 2SiO2Направление переносаПолупроводникр-типаПереносимыйзарядовый пакетОбластипотенциальных яма)U(t)U 1(t)U 2(t)0tб)Рис.

5. Перенос заряда в ФПЗС-структуре:а) Схема переноса зарядового пакета из одной ячейки ФПЗС в другую;б) Графики изменения фазных напряженийU3U2U1123123123ФазоваяшинНаправление переносаРис. 6. Схема работы трехфазной ФПЗСÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.12Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью(такие ФПЗС-приемники используются в астрономических приборах), так ипри регистрации мощной короткой световой вспышки. Однако, времянакопления Тн не может быть сколь угодно большим, поскольку ФПЗСэлемент осуществляет накопление не только «сигнальных», но и «шумовых»электронов, большое число которых может привести к переполнениюпотенциальной ямы. В ФПЗС-матрицах, работающих в телевизионномстандарте CCIR, время накопления лежит в пределах 10 мкс … 18 мс.Перенос заряда к выходному устройству – способность ФПЗСосуществлять транспортирование накопленных зарядовых пакетов за счетиспользования зарядовой связи между фоточувствительными элементами ирегистрами переноса.

ФПЗС-приемники бывают с поверхностным иобъемным каналами переноса, с трехтактными или четырехтактнымишинами.Принцип перемещения зарядового пакета заключается в перекрытииэлектрических полей двух соседних МДП-конденсаторов, один из которыхзаряжен (содержит зарядовый пакет), а другой нет (рис. 5). Перекрытиеполей осуществляется за счет близкого расположения соседних электродов, атакже путем подачи фазных напряжений так, как показано на рис. 5.

На рис.6 схематично изображена трехфазная ФПЗС. Использование трех фазобеспечивает направленный перенос заряда. При этом накопительными(фотоприемными) являются ячейки под №№1, а ячейки №№2,3 защищены отпопадания света и используются только для переноса.ФПЗСприемникибываютлинейными(МДП-конденсаторырасположены последовательно в линию – однокоординатные ФПЗС) иматричными(двухкоординатныеФПЗС).Последниечащевсегоиспользуются для формирования изображений. В свою очередь, матричныеподразделяются на ФПЗС с кадровым, строчным и строчно-кадровымпереносом. ФПЗС-матрицы с кадровым переносом обладают двумяÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.13Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюФПЗС с кадровым переносомФПЗС со строчно-кадровым переносомСекциянакопления(фотоприема)СекцияхраненияНакопительныеячейкиРегистрыпереносаВидеовыходВыходной регистрУзел считывания(сброса) и усиленияВидео выходВыходной регистрРис.

7. Типы ФПЗС-матрицОпорноенапряжениеНапряжениепитанияЭлектрод 3Импульс сбросаЭлектрод 3ВыходНизковольтныйэлектродn-типртипПодложкаФПЗСRнПлавающаядиффузионнаяобластьРис. 8. Схема узла считывания (сброса)Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.14Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюодинаковыми зонами: секцией накопления и секцией хранения (рис. 7). Впроцессе экспонирования секции накопления оптическим сигналом в течениевремени Тн в ней происходит накопление зарядовых пакетов. По окончаниивремени Тн накопленные зарядовые пакеты за короткое время переносятся всекцию хранения, высвобождая таким образом секцию накопления от заряда.После этого цикл экспонирования и накопления повторяется вновь содновременнымпереносомввыходнойрегистрзарядовыхпакетовпредыдущего кадра из секции хранения.

В ФПЗС-матрицах со строчнокадровым переносом (см. рис. 7) секция хранения отсутствует, а ее рольиграют регистры, расположенные между строками или столбцами элементовнакопления. В ФПЗС-матрицах со строчным переносом хранение зарядовыхпакетов не предусмотрено, в результате чего накопление и считываниезаряда разнесено во времени и осуществляется последовательно.

Еслипервые два типа ФПЗС нашли применение в видеотехнике, то последнийшироко используется в электронных фотокамерах.Процесс накопления и переноса зарядовых пакетов тесно связан стипом электронной развертки формируемого изображения на экранемонитора. При чересстрочной развертке происходит поочередное накоплениеполукадров: четного и нечетного. При прогрессивной (последовательной)развертке видеокадр накапливается целиком. ФПЗС-матрицы, формирующиесразу весь видеокадр называются полнокадровыми (full frame). Для того,чтобыможнобылоподключитьполнокадровуюФПЗС-камерукстандартному монитору с чересстрочной разверткой, требуется специальныйцифровой адаптер, преобразующий два полукадра из полного кадра.Преобразование заряда в напряжение представляет собой процессформирования серии видеоимпульсов, амплитуда каждого из которыхпропорциональна величине соответствующего зарядового пакета. Дляпреобразованиясчитываниязарядовых(сброса).Зарядпакетовввидеоимпульсыпреобразуетсявслужитнапряжениеузелблагодаря«плавающему» диоду или «плавающей» диффузионной области.

На рис. 8Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.15Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюпоказаны два последних электрода трехфазной ФПЗС-матрицы со схемойузла считывания. Низковольтный электрод «разрешает» перенос толькотогда, когда напряжение на 3-м электроде равно нулю. Диод, работающийкак конденсатор, предварительно заряжается до опорного напряжения. Егозаряд частично разряжается перенесенным сигнальным зарядовым пакетом.Разница напряжений между конечным и начальным состояниями диодапрямо пропорциональна среднему числу фотоэлектронов n ф .