Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Если в качестве подложки выбран полупроводник р-типа, то полярность напряжения накопления следует изменить на противоположную. При этом в образовании сигнальных зарядов будут участвовать электроны, а не дырки. Если на фоточувствительную поверхность ФПЗС спроецировать изображение, то в многоэлементной структуре за время накопления Т, будет сформирован зарядовый рельеф (В (х„у!), адекватный пространственному распределению освещенности, «,+о!а о+о,~» сд(х!, у!) =-й ~ ) Е(х, у)бхбу, (6.!9) «!-о!в о-л'!а где х„у! — соответственно координаты центра изображения элемента 1-го столбца и /-й строки матрицы; !( и с(' — соответственно размеры элемента вдоль направления строк и столбцов матрицы; й — коэффициент пропорциональности, который при фиксированном времени накопления Т, и заданном спектральном составе оптического излучения можно рассматривать как интегральную чувствительность элементов ФПЗС.
Выражение (6.19) справедливо, если в первом приближении распределение чувствительности по площадке накопительного элемента считать постоянным. Следует помнить, что ФПЗС— приемник с накоплением энергии, поэтому сигнальный заряд, накапливаемый в ячейке, пропорционален экспозиции оптического излучения где Н, — экспозиция оптического излучения, лк с; Т, — время экспонирования, с. 180 !н е Гное а 1«аа а Гана« Енааа Ена«а Енае« Рнс.
б.!1. Характеристики накоплении ПЗС-фотоприемника Очевидно, что прн постоянной во времени освещенности Е (1) = = Е значение накапливаемого заряда, соответствующего полезному сигналу, пропорционально времени накопления н уровню освещенности: Я,—:ЕТ,. Однако указанная линейная зависимость остается справедливой, пока ФПЗС не достигнет уровня накопления, близкого к режиму насыщения Я, ( 0,7 —:0,89„, (рис, 6.11).
Чтобы сохранить структуру зарядового рельефа в процессе последующего переноса, необходимо на этапе накопления потенциальные ямы формировать не под каждым электродом, а только под одним или под двумя электродами каждой накопительной ячейки, как показано на рис. 6.12. Таким образом, потенциальные ямы должны быть разделены потенциальными барьерами, препятствующими «перемешиванию» зарядов как и процессе накопления, так и в процессе переноса. При этом одну накопительную ячейку образуют три электрода А, В и С, подключенные к различным управляющим шинам Ф1, Ф2 и ФЗ.
За счет явления тепловой генерации носителей в течение времени Т, в каждой ячейке накапливается также определенный темновой заряд Д„который складывается с сигнальным зарядом (~,. Среднее значение темпового заряда, накапливаемого в ячейке, определяется выражением («т 1«АалТл М оад диод где 1, — средняя плотность темпового тока накопления заряда, характерная для дан- В(д, й( и р ! ного полупроводникового маи тернала прн рабочей темпе- Х ратуре кристалла; А,л — и площадь электрода, под ко- ')ан ! и торым осуществляется накопление. Вследствие неоднородно- Рнс.
8.12. Фрагмент структуры ПЗС-фости полупроводникового ма- топриемника (о), распределение потеипиалов вдоль поверхности ПЗС-структутериала значение 1 неоди- ры (6) Вьмадлод оапВоР Выход»оп 181 наково во всех точках поверхности кристалла, а является случайной функцией пространственных координат х и у. Поэтому накапливаемые за время Ти темновые заряды будут различны в различных ячейках ФПЗС, и, следовательно, аарядовый рельеф (1 (хы у!), формируемый на этапе накопления, определяется не только рельефом освещенности Е (х, у), но и случайным рельефом плотности темповых токов. В конечном итоге это приводит к искажениям полезного сигнала, формируемого ФПЗС. Величина искажений зависит от соотношения сигнального и темнового зарядов.
Среднеквадратическое отклонение средних значений темновых аарядов, накапливаемых в различных ячейках ФПЗС за фиксированное время Т„ представляет собой количественную характеристику так называемого геометрического шума нг Ю«Н> где !7, — среднее по кристаллу значение темпового заряда; Н, — коэффициент относительного разброса темповых токов по кристаллу ФПЗС, значение Н„может достигать 10 — 15%.
Один из способов уменьшения геометрического шума — охлаждение кристалла. Зависимость темпового тока от температуры может быть аппроксимирована следующим выражением: 1, ж ехр 1 — Е,(йТ), где Е, — ширина запрещенной воны полупроводникового материала. Понижение температуры кристалла на каждые 1О'С уменьшает темновой ток приблизительно в два раза. Некоторые из современных ФПЗС выполняются в виде конструктивно законченных модулей со встроенным микрохолодильником. Отметим, что в каждой накопительной ячейке ФПЗС средняя плотность темпового тока г, при фиксированной температуре остается относительно стабильной. Таким образом, геометрический шум является по существу детерминированной помехой, которую в некоторых случаях можно скорректировать аттестацией данного экземпляра ФПЗС, входящего в состав измерительной системы.
В специальном запоминающем устройстве можно хранить массив поправочных коэффициентов, учитывающих отклонение средней плотности темновых токов для каждой накопительной ячейки. Перенос. В ФПЗС считывание накопленных зарядов О (хы у!), несущих информацию о распределении освещенности в плоскости анализа изображения, осуществляется последовательно — переносом зарядового рельефа вдоль поверхности ПЗС-структуры в сторону выходного устройства. Это достигается за счет переключения потенциалов на управляющих шинах Ф1, Ф2, ФЗ.
Оптимальные условия для «перетекания> зарядовых пакетов при сохранении пространственной структуры зарядового рельефа обеспечи- !82 Рис. 6.!3. Временнйе диаграммы управляющих импульсов на фазах управления в режиме переноса за- рядов ваются, если каждый раз новая потенциальная яма под смежным электродом создается, пока еще существует старая потенциальная яма. На рис.
6.13 приведены временнйе диаграммы управляющих сигналов на фазах Ф! — ФЗ во время переноса. Эффективность переноса зарядов, т. е, полнота передачи зарядов из одной потенциальной ямы в другую за ограниченное время, зависит от амплитуды и от формы управляющих импульсов. Прямоугольная форма управляющих импульсов в отличие от синусоидальной более предпочтительна, так как при этом максимальный передаваемый заряд приблизительно на 25% больше. Следует иметь в виду, что генератор управляющих импульсов фактически работает на емкостную нагрузку, которую представляют собой управляющие шины ПЗС-структуры. По этой причине напряжение на управляющих электродах всегда отличается от прямоугольной формы за счет «завала» фронтов импульсов. Для оптимальных условий переноса зарядов длительность фронта 1ф должна быть в 4 — 5 раз меньше длительности управляющих импульсов Т .
Заряды из одной потенциальной ямы в другую перетекают в результате диффузии и дрейфа носителей. Причем наибольшая часть заряда перетекает в начальный период времени за счет дрейфа носителей в электрическом поле, существующем благодаря разности потенциалов между пустой и заполненной потенциальными ямами. По мере выравнивания потенциалов скорость перетекания зарядов уменьшается, и далее процесс протекает в основном за счет диффузии носителей. Таким образом, во-первых, для передачи зарядов требуется определенное время, а,во-вторых, передача зарядов не может быть полной. По этой причине скорость переключения потенциальных ям и суммарное число актов передачи ограничены.
В связи с указанными выше обстоятельствами рассмотрим искажения зарядового рельефа, возникающие при переносе. !83 Каждый акт переноса заряда из одной потенциальной ямы в другую сопровождается потерей части зарядов из-за неполного переноса за ограниченное время. Эти потери можно охарактеризовать коэффициентом неэффективности е = 1 — до/д„ (6.20) где до — заряд до акта передачи; до — заряд, перенесенный в соседнюю потенциальную яму.
Коэффициент неэффективности переноса — один из важнейших параметров ФПЗС. В первом приближении можно считать, что е остается постоянным при каждом последующем переносе. Тогда заряд после одного акта передачи составит Ь = Чо Чое = Чо (1 е)! после второго ~)о =Ь(1 — е)*: после и актов передачи (1о =)о(1 — е)", где до — заряд, накопленный в ячейке до переноса; и = йт; й — число фаз управления (в трехфазных ПЗС й = 3); т — число ячеек вдоль направления переноса. п Коэффициент неэффективности переноса зависит и от скорост р и С в ереноса, т. е. от тактовой частоты переключения потенциа о у еличением 1, увеличивается е.
Так, для ПЗС с поверхност- ным каналом переноса (перенос и накопление осуществляются в непосредственной близости от поверхности полупроводника) коэффициент неэффективности при частоте 1, = 15 мГц состав- ляет е ж 10 '. Это означает, что при передаче заряда вдоль всей линейки ФПЗС, содержащей 512 накопительных ячеек, потери заряда могут достичь 10 — 15о4. Следует отметить, что искажения зарядового рельефа, вызван- ные неполной передачей зарядов, носят детерминированный ха- рактер и при необходимости могут быть скорректированы, если известны соответствующие параметры данного ФПЗС.
Однако наряду с детерминированными искажениями зарядо- вого рельефа на практике существуют и случайные искажения, возникающие вследствие захвата части зарядов на так называе- мые поверхностные состояния (ловушки). Концентрация лов- шек особенно велика вблизи границы раздела окисел— У водник.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
