Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 39
Текст из файла (страница 39)
МПИ с последовательным опросом. Фоторезисторные и фотодиодные МПИ с параллельным опросом элементов обычно содержат небольшое число (до нескольких десятков) элементов. В тех случаях, когда необходимо реализовать многоэлементную фотоприемную структуру, содержащую до нескольких сотен элементов, более предпочтителен принцип последовательного опроса элементов с возможностью координатной выборки сигналов. Подобные МПИ можно использовать в качестве преобразователей пространственного распределения освещенностей в плоскости анализа изображения во временную последовательность импульсов — видеосигнал. 174 На рис. 6.6 приведена схема фоторезисторнон матрицы, со держащей и строк по т элементов в каждой. Как видно из рисунка, в цепь нагрузочного резистора )7„может быть включен любой из фоторезнсторов матрицы путем выбора нужной строки и столбца элементов с помощью соответствующих ключей горизонтальной К„ и вертикальной К, разверток.
Такой принцип организации многоэлементной структуры позволяет значительно уменьшить число выводов по сравнению с принципом параллельного включения. В данном случае структура, содержащая У = — т хи элементов, имеет т -)- и, а не т хи ) 1 выводов.
Причем выигрыш в числе выводов тем больше, чем больше число элементов. Следует, однако, отметить, что в такой схеме не обеспечивается полная развязка между элементами. Нетрудно показать, что вследствие параллельных связей между фоторезисторами через нагрузочный резистор протекает не только ток опрашиваемого элемента, но н токи параллельных ветвей н — ) 7н = 7опр+ Е 7неопр )0 = 7опр + 7неопр где 7 р ток опрашиваемого элемента; 7неепр0) ток через неопрашиваемую 1-ю ветвь; 7неопр — суммарный ток неопрашиваемых ветвей.
Наибольший вклад во второе слагаемое вносят строки и столбцы, где расположен опрашиваемый элемент. Можно показать, что в такой структуре отношение тока опрашиваемых элементов к току параллельных неопрашнваемых ветвей при отсутствии освещенных элементов (либо при одинаковой освещенности всех элементов) определяется выражением 7опр!7неопр 2/и где и — число элементов в строке (столбце) квадратной матрицы ихи.
)75 Пусть -и> -н,г /> ппр йи = />э !»Ят >с>, где /сэ !» — сопротивление элемента при воздействии оптического излучения; /(, >с>— темповое сопротивление элемента. Тогда при наличии оптического сигнала Рис 6 7 Эквивалент ТОЛЬКО На ОПРаШИВаЕМОМ ЭЛЕМЕитЕ ная схема матричного фотоприемника, ра- /Ф. опв//с. аеопп 2ми/и.
ботающего беа иакоп. левка сигнала Наиболее неблагоприятная ситуация возникает, когда опрашивается неосвещенный элемент, а освещен элемент, расположенный в одной строке или столбце с опрашиваемым. В таком случае Яч/Рп4 ,Ь с> > 1 /т опр//неопр 2 (! + />)/(2йл + >> (! + йл)!' Эквивалентная схема фоторезисторной матрицы приведена на Как видно из эквивалентной схемы, взаимное влияние элементов можно уменьшить, увеличив сопротивление неопрашиваемых элементов. Этого можно достичь за счет дополнительного включения диодов в цепь каждого фоторезистора. Полярность включения диодов должна быть такой, чтобы при подключении какого- либо элемента к источнику питания и нагрузочному резистор соответствующий диод был бы открыт.
В диодно-фоторезисторной у матрице диоды неопрашиваемых элементов находятся в закрытом состоянии, что позволяет уменьшить суммарный ток неопрашиваемых ветвей. Использование диодов хотя и позволяет уменьшить взаимное влияние элементов, но не обеспечивает полной развязки между ними, поскольку МПИ обычно работает в режиме относительно слабых токов, при которых отношение сопротивлений диода в открытом и закрытом состояниях сравнительно невелико.
В заимные связи между элементами характерны также и для матриц на основе фотодиодов. По существу, этот недостаток является общим для МПИ мгновенного действия. Другой их недостаток заключается в необходимости коммутации малых токов, что предъявляет высокие требования к выбору элементов длн ключей К, и /(,. Указанные обстоятельства служат основной причиной того, что подобные структуры имеют ограниченную сферу применения. Более широко применяют многоэлементные фотоприемные структуры с накоплением сигнала. МПИ с накоплением сигнала. На рнс. 6.8 приведена схема типичного МПИ с накопительными ячейками. Каждая накопительчая ячейка состоит из фоточувствительного элемента — фотодиода К2 (или фоторезистора), разрядного ключа >76 .>> остр л> Х и Рвс.
6.6. Структура многовлементного матричного фотоприем- ника, работающего с накоплением сигналов сброса на МДП-транзисторе И и предварительного усилителя на МДП-транзнсторах УЗ вЂ” '>74. Эквивалентная схема накопительной ячейки показана на рис. 6.9. После замыкания ключа сброса на емкости С> накопительного элемента устанавливается напряжение, близкое к напряжению питания. После размыкания ключа происходит разряд С> через >т>. При этом С, представляет собой собственную емкость фотодиода и параллельно подключенную входную емкость усилителя, а )с> — внутреннее сопротивление фотодиода в запертом состоянии, которое зависит от потока оптического излучения, воздействующего на данный элемент.
нппг В данном случае Р> является не- ~ срп> и нпср< линейным сопротивлением, и разрядный ток, протекающий через гс>, почти не зависит от напряжения на нем, Таким образом, разряд С, происходит практически с постоянной ! Н! б! ( скоростью. ! Полезный сигнал определяется Нпхппмпемние степенью разряда С за фиксирован- > епемепи ~ Немн>> ное время накопления Т„.
Считывание напряжения на С> осушест- Рис, 6 э. эквивалентная схема вляется в момент замыкания ключа иакопителеноя ячеаки с !> !77 7 Г. Г. Имаааа а яр. выборки К,„а. В матричных МПИ сигналы считываются посредством выбора строки и столбца. Для этого на один из входов У, подается импульс отпираюшего напряжения, поступающий на затвор соответствующего транзистора )'3. Кроме того, коммутируется один из выходов Хр В результате выходная цепь транзистора 1'4 нужной ячейки подключается к нагрузочному резистору или ко входу преобразователя ток — напряжение (см., например, рис. 6.3).
Значение регистрируемого сигнала в подобных МПИ зависит от энергии оптического излучения, поглощенной элементом за время накопления, г и, = З, ) Ф(1) 61, В, о где Яп — интегральная вольтовая чувствительность элемента, В/Дж. Общий недостаток всех рассмотренных выше МПИ вЂ” необходимость раздельно выполнять фоточувствительные элементы и схемы коммутации. Это предопределяет сравнительно большие габаритные размеры и потребляемую мощность фотоприемных устройств на их основе, а также высокий уровень внутренних шумов в проектируемых оптико-электронных приборах.
Ниже рассматриваются наиболее перспективные виды многоэлементных фотоприемников на основе приборов с переносом заряда (ПЗС и ПЗИ). $6.2. Многоэлементные фотоприемные устройства на основе приборов с зарядовой связью ПЗС-фотоприемник (ФПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл — диэлектрик — полупроводник), выполненных на одном кристалле и образующих систему элементарных конденсаторов, В ПЗС-структуре осуществляется: формирование зарядного рельефа, адекватного распределению освещенности на фоточувствительной поверхности, хранение и перенос зарядового рельефа в сторону выходного устройства, а также детектирование зарядов, т.
е. преобразование пространственных зарядов в выходное напряжение видеосигнала. Таким образом, ФПЗС выполняет одновременно функции приемника и анализатора оптического изображения. Благодаря регулярности структуры на одном кристалле ФПЗС удается разместить большое число (до 1 млн) элементов.
Ниже будет показано, что современные матричные ФПЗС фактически являются многофункциональными приборами, которые могут работать по различным алгоритмам в зависимости от управляющих сигналов. Рассмотрим более подробно работу ФПЗС в режимах накопления, хранения и считывания зарядов. 178 а) на Знергня опенпрсна ргия арона Мегпаоо аннсеп йспупроаоонон и-папа Расстанное сю поаерннссгпи Рассп1ояние оп1 псбергнасгпа Рис. 6.10. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие принци п накопления зарядов в ПЗС-структуре с поверхностным каналом: при отсутствии напряжения обеднения (а), при наличии напряжения обеднения (б), после накопления зарядов в потенциальной яме (в) гия гороно Накопление.
На рис. 6.10 показаны зонные энергетические диаграммы МДП-структуры при отсутствии напряжения между подложкой и металлическим электродом (рис. 6.!О, а) и при наличии на электроде отрицательного относительно подложки потенциала (рнс. 6.10, б). Под воздействием внешнего поля зонные диаграммы искривляются. Вблизи границы раздела диэлектрик — полупроводник образуется потенциальная яма глубиной ~рз, в которой могут накапливаться неосновные носители заряда (дырки), возникающие за счет тепловой генерации и,в результате поглощения квантов оптического излучения. Очевидно, что приповерхностный слой обеднен основными носителями (электронами), которые вытеснены внешним электрическим полем в глубь полупроводниковой подложки.
По мере накопления неосновных носителей глубина потенциальной ямы уменьшается и одновременно увеличивается напряженность поля в пленке окисла, как показано на рис. 6.10, а. После заполнения потенциальной ямы избыточные заряды будут инжектироваться в подложку, где онн рекомбинируют с основными носителями. Часть избыточных зарядов может попадать в соседние потенциальные ямы, искажая зарядовый рельеф. Максимальное число накапливаемых в потенциальной яме зарядов определяется приближенным выражением зевов )у... ~ и.л,.с;.(е = и.А, — '„'", ег(оа 179 где У, — напряжение иа металлическом электроде относительно подложки в режиме накопления; А, — площадь электрода; С;„ — удельная емкость пленки окисла; о — заряд электрона; н, — диэлектрическая постоянная; е,„ — диэлектрическая проницаемость окисла; по„— толщина йленки окисла.
Повышая напряжейие накопления У, можно увеличить максимальное число накапливаемых зарядов, а следовательно, и динамический диапазон работы ФПЗС. Однако напряжение можно увеличивать лишь до некоторого предела, при котором еще не наступает пробой пленки окисла. Таким образом, предельный заряд, который может быть накоплен в ячейке ФПЗС, определяется выражением Л(та» мах ~( А»лаев~«Ем«а/о, где Š— предельно допустимое значение напряженности электрического поля в пленке окисла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
