Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 41
Текст из файла (страница 41)
с — полупроЧисло носителей, уходящих из зарядового пакета на поверх- ностные состояния за один перенос в расчете на ед ни иницу площади поверхности ФПЗС, определяется выражением 51= йтн., !п(Кио+ !), где й — постоянная Вольцмана", Т вЂ” абсолютная температура' ,, — плотность поверхностных состояний на один электрон!ее вольт; К вЂ” число фаз управления; и, — число нулевых (пустых) потенциальных ям, предшествующих первому сигнальному заряду в ПЗС-структуре.
Вследствие случайного характера распределения ловушек вдоль поверхности полупроводника, а также процессов захвата и повторной генерации носителей возникают случайные искажения зарядового рельефа, которые можно рассматривать как шум переноса. Одним из методов снижения искажений сигнала при переносе является п р е д в а р и т е л ь н о е (до начала переноса) в в едение небольшого фонового здряда в каждую накопительную ячейку. Вводимый фоновый заряд заполняет поверхностные состояния (ловушки), При этом из-за устанавлнвающегося динамического равновесия между числом носителей, захватываемых из сигнального пакета, и числом носителей, возвращаемых с поверхностных состояний, результирующие искажения зарядового пакета снижаются.
Искусственное введение фонового заряда наиболее эффективно, когда ФПЗС работает в режиме малых освещенностей (например, при наблюдении участка звездного неба в ночное время). В этом случае фоновый заряд позволяет повысить не только эффективность передачи сигнального заряда, но и чувствительность ПЗС-камеры, а также и ее разрешающую способность. Оптимальное значение искусственно вводимого фонового заряда зависит от характера анализируемого изображения. Обычно оно не превышает 1Оо4 от заряда насыщения. Если ФПЗС работает в режиме больших освещенностей при наличии естественного фона, то вводить фоновый заряд практически не требуется.
Фоновый заряд в ПЗС-структуру можно вводить двумя способами: оптическим и электрическим. Первый способ заключается в равномерной фоновой засветке фоточувствительной площадки специально предусмотренным в конструкции оптико-электронного прибора источником излучения (например, светодиодом). Второй — в электрической ннжекции фонового заряда через входное устройство ФПЗС.
Иногда комбинация этих способов дает наибольший эффект. В любом случае при разработке конструкции желательно предусмотреть возможность регулировки вводимого фонового заряда для адаптирования оптико-электронного прибора к реальным условиям функционирования. Излишний уровень фонового заряда уменьшает рабочий динамический диапазон ФПЗС и увеличивает уровень шумов. Другой метод снижения искажений при переносе — ч и с т о т е х н о л о г и ч е с к и й. Он заключается в смещении самого канала переноса зарядовых пакетов от поверхности в глубь полупроводниковой подложки. С этой целью при изготовлении ФПЗС вводят специальный слой вблизи границы раздела окисел — полупроводник. Тип проводимости вводимого слоя должен быть противоположен типу проводимости подложки (рнс. 6.14). За счет 1% а) нергия антуана нергия ентрвна Расстаяние ат пабергнвгпв Рагппаяние ат пвберхнаати Рнс. 6.16.
Зонные энергетические диаграммы, поясняющие принцип накопления зарядов в ПЗС-структуре со скрытым каналом: а — пря отсутствии потенцнала обеднения; б — прк налнчнн потенциала обеднення в начале цикла накоплення; в — после накопления неягия ветрена расстаяние ат паберхнаета 186 8»таунаи контактной разности потенциалов на границе раздела полупроводников р- и и-типов потенциальная яма, возникающая прн подключении внешнего электрического поля, смещается в глубь полупроводниковой подложки.
Такие ФПЗС получили названия ФПЗС Рнс. 6.!4. Фрагмент структуры ПЗС-фотопрнемннка со скрытым с объемным или скрытым каналом каналом переноса переноса. Существенное снижение искажений зарядового рельефа при переносе в ФПЗС со скрытым каналом объясняется значительно меньшей концентрацией объемных состояний (ловушек) по сравнению с концентрацией поверхностных состояний. На рис. 6.15 показаны зонные энергетические диаграммы, поясняющие принцип формирования и заполнения потенциальных ям ФПЗС со скрытым каналом.
Отметим, что ФПЗС со скрытым каналом допускают ббльшую скорость вывода сигнала и обладают меньшим уровнем шумов переноса, чем ФПЗС с поверхностным каналом. Однако технология нх изготовления значительно сложнее. По этой причине в настоящее время используют структуры обоих типов. Детектирование зарядовых пакетов. На рис. 6.16 показана схема узла детектирования зарядов и формирования выходного сигнала, реализованная на кристалле ПЗС. Передаваемые за- у Напрямение агума периаупереУачи гангуа Рнс. 6.16. Схема выходного устройства ПЗС (а); временнйя диаграмма, поясняющая процесс считывания заряда в выходном устройстве (б) ряды на выходе ПЗС детектируются выходным диодом )г1 и выделяются на емкости элемента С1.
Исходный потенциал, создающий обратное смещение на диоде, устанавливают на емкости С1 после замыкания транзисторного ключа )г2. При размыкании ключа на емкости сначала появляется спадающий импульс напряжения, вызванный прохождением тактового импульса в транзистор сброса (рис. 6.16, б), затем в выходной диод поступает зарядовый пакет, который снижает его обратное смещение, затем снова замыкается ключ )г2, и цикл работы детектирующего узла повторяется (иногда разрядный ключ замыкается один раз за период считывания строки). Следует иметь в виду, что разрядный ключ, устанавливающий определенное значение потенциала детектирующего узла, вносит определенный «установочный шум».
Этот шум в отличие от других составляющих шумов, генерируемых в ПЗС (геометрического шума, шума темнового тока, шума переноса, шума поверхностных состояний), можно устранить схемой по- элементной (или построчной) фиксации сигнала (см. ниже), При использовании схемы построчной фиксации удается избавиться также от составляющей сигнала, вызванной наличием фонового заряда в регистре ПЗС, поскольку рабочим элементам регистра предшествует несколько «холостых» элементов, содержащих только фоновый заряд. Практически в любом современном ФПЗС на одном кристалле с основными элементами ПЗС-структуры выполнен предварительный усилитель в виде отдельного МДП-транзистора ())3).
Это значительно облегчает согласование ПЗС с последующими каскадами усиления, позволяет уменьшить до пренебрежимо малого уровня шумы внешнего усилителя. Организация многоэлементных фотоприемников на основе ПЗС-структур. На рис. 6.17, а показав пример простейшего однострочного ФПЗС, в котором одни и те же ячейки МДП-структуры выполняют функции фоточувствительных элементов и элементов транспортного регистра переноса.
В период накопления на одну из управляющих шин Ф1 — ФЗ подается постоянный потенциал, обеспечивающий образование 187 а1 сее чг7 уу Ячейла селиии ' лалелл лия ыЮеи е~сласа е1 свя! еа сии иии ения слг ~~7 л Рис. 6.17. Способы организации линейных структур ПЗС: о при объединении функций накопления н переноса зарядов в одной секции; б — при использовании раздельных секций для накопления и переноса зарядов; в — при использовании одной секции накопления и двух регистров переноса потенциальных ям для неосновных носителей заряда под соответствующими металлическими электродами.
На другие управляющие шины подается разделяющий потенциал, препятствующий взаимному перетеканию зарядов, накапливаемых в соседних потенциальных ямах. После аавершения цикла накопления на управляющие шины подаются импульсные напряжения, обеспечивающие переключение потенциальных ям, с целью перенести накопленные заряды в сторону выходного детектнрующего устройства (ВУ). Подобные ФПЗС можно применять в оптико-электронных системах (ОЭС) активного типа, в состав которых входит импульсный синхронизируемый источник излучения (импульсный лазер, светодиод и др.), а также в ОЭС пассивного типа, но снабженных специальным оптическим затвором, Это связано с тем, что во время переноса не должно происходить оптического экспонирования элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
