Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 151
Текст из файла (страница 151)
имеющих большУ оизво»" сравнению с МДП-структурами чувствительность; возможность организации произ ной выборки любого элемента или группы элементов. Изготовление ФПЗС можно осуществлять по двум технологиям. ,,песте' В приборах с поверхностным каншюм перенос сигнальных зарядовых пакетов осуп велят ляезся на границе раздела "окисел--полупроводник". В этом чипе ФПЗС легко упр переносом, однако взаимодействие заряловых пакетов с поверхностным состояннеь ем "Р 4. Функциональная полупроводниковая электроника 705 водит к захвату и эмиссии носителей. Все зто приводит к снижению эффекгивности переноса носителей при низких уровнях освещенности.
В технологии с объемным канатом переноса зарядовых пакетов предусмотрено заглубление канала путем его ионного легирования примесью с проводимостью, противоположной подложке. Зтот технологический прием существенно увеличивает эффективность переноса, но несколько снижает управляемость. В последнее время весьма перспективны ФПЗС для цветного телевидения, коистр> ктивно оформленные в виде строчных или строчно-кадровых матриц с числом элементов 500х500 и совмещенных с цветокодирующим фильтром, На основе ФПЗС разрабатывается серия многоэлементных приемников изображения средневолнового и длинноволнового ИК диапазона длин волн.
В их основе гибридные структуры с интегральными элементами считывания и предпроцессорпой аналоговой обработкой видеосигнала на кристалле. Тепловизионные системы на основе ИК ПЗС по пороговой температурно-пространственной чувствительности и быстродейсгвию не уступают лучшим образцам современных тепловизоров. 4.2.2. Цифровые процессоры на ПЗС-структурах Цифровые ПЗС предназначены для обработки сигналов в виде дискретных функций, и их можно разлепить на струкзуры для арифметико-логической обработки информации и структуры для хранения информации — запоминающие устройства.
В цифровые ПЗС можно включить регистры сдвига, логические и арифметические >стройства, запоминающие устройства, В них информация представляется двумя уровнями зарядов, локгшизованных в потенциальной яме под затвором. Состояние логической единицы определяется максимальным зарядовым пакетом в яме, состояние логического нуля — отсутствием заряда или величиной фонового заряда. Следует заметить, что цифровые устройства ПЗС являются устройствами динамического типа, т к.
необходима регенерация информации. К основным аналоговым операциям относятся сложение, вычитание, умножение, умножение на весовой коэффициент, дифференцирование, интегрирование. Операцию аналогового сложения в зарядовой форме можно произвести различными способами. зависящими от конструкции ПЗС. В схемах параллельного сложения зарядовые пакеты величиной Дп ~, и ~з передаются по и параллельным каналам ПЗС (рнс. 4.15, а). Суммирующий элемент должен иметь зарядовую связь с элементами цепочек.
Суммирование осуществляется в процессе слияния всех зарядов Ч, из параллельных цепочек в потенциазьную яму суммирующего элемента, т. е. Ч1 ~ Чз+ —.ьЧ ад<сейь/я Уы), >4.3) где дд суммарный заряд, который должен уменьшаться в потенциальной яме суммиРующего элемента емкостью Сп, В схеме последовательного сложения между суммирующими последними тактовыми электродами расположен экранирующий электрод, создающий потенциальный барьер и препятств> кппий обратной передаче зарядов из суммирующего элемента (рис 4.! б, б), На сУммиРУющий затвоР попас>СЯ импУльс Фг, дчительность котоРого больше пеРиода следования тактовых импульсов.
На срезе распределении фазы Ф, очередной зарядовый па- .: зв ыь! Часть!(т. Функциональная электроника 706 Ся(()е - Я,) > ))" д, . (4,4) б) в) в) Рис. 4д6. Схемы суммирования зарядовых пакетов в — параллельный; б — последовательный; е — на плавающих затворах Анщюгнчным способом зарядовые пакеты можно суммировать в плавающей диффузионной области.
В каждый элемент поступает определенный зарядовый пакет. На общей шине находится емкостная нагрузка. Используя принцип суперпознцни, можно вычислить изменение потенциала при суммировании зарядового пакета на общей шине нагрузочной емкости. Полное изменение потенциала при поступлении зарядовых пакетов во все элементы оп- ределяется выражением: ли=,') А(),= — '~ д,. 1 Ся, в н (4.5) Таким образом, выходной сигнал на плавающей шине будет пропорционален сумме заря- довых пакетов.
Этот прием позволяет производить суммирование без разрушения заряло- вого пакета. Операцию вычитания аналоговых сигналов можно производить различными способами (рис. 4.!б). Одним из способов является формирование пакета заряда, пропорционально~о разности напряжений на электродах (рис. 4,16, а). В этом случае используются перекрс стные связи затворов, которые управляются напряжениями аналоговых си~палов Ы и ()з. Если Ц > Вн то в верхнюю цепочку элементов заряд не поступает вследствие более глу бокой потенциальной ямы в первом элементе верхней цепочки по сравнению со второй' Таким образом, после этапа экстракции электроны будут экстрагированы обратносме чилой щенной и -областью истока. В нижнюю цепочку булет введен зарядовый пакет величи" дз=ЛС(и,-из), д, = О.
Для случая Г, < ()з заряд вводится только в верхнюю цепочку, т. е. д, =-5Ск(из — и,), ,уз = О. т, по- Итак, разность двух сигналов 1/ — Г), формируется в нижней цепочке, если разносу~ 2 з нз ложитепьная, и в верхней — при отрицательной разности. При считывании сигнале кет перетекает через экранирующий элемент в потенциальную яму суммирующего эле. мента и складывается с ранее переданными зарядами, Зарядовая емкость суммирующего элемента определяется условием: 4. Функциональная полупроводниковая электроника обеих цепочек можно определить как разность потенциалов (/, — (,',, так и знак этой раз- ности.
б/ а) в/ Рие. 4.16. Схемы вычитания зарядовых пакетов, в — с перекрестными салзямн; б — с зарядом смещения, в — на плавающих затворах Другой способ предусматривает прсдставлсннс входных сигналов в виде зарядовых пакетов. Разностный сигнал преобразуется в нужную форму; в виде заряда нлн напряжения (рнс. 4.17, б). Во входной элемент инжекцин — экстракции вводится фиксированный зарядовый пакет дз. Этот заряд делится межлу двумя элементамн, затворы которых находятся под напряжением (/, н (/,. При лостаточно медленном спаде напряжения на шине Ф, соблюлаются квазнстатические условия передачи.
Это означает, что поверхносгный потенциал шины чзз и электродов (/, н (/з одинаковы н ф, = чзз. Если то д, =1/'(4.- Я.Сл((/, - (/Д да =1, 2 [и, 5С,((/,— (/А. Таким образом, в верхней и нижней цепочке электродов будут передаваться заряды, отличающиеся от половинного заряда з/з/2 на величину, пропорциональную разности входных сигналов ((/, — (/з). При считывании выходной сигнал будет смещен относительно среднего уровня, соответствующего дз /2 (при (/, = Ьз), на величину, пропорционачьную ~. — (/ь Операцию вычитания можно реализовать на плавающих затворах (рис. 4.16, е).
При этом используется эффект умножения потенциала затвора при передаче зарядового пакета в элемент с плавающим затвором. Если объединить два плавающих затвора н в один вводить заряд г/ь а нз другого выводить заряд дп то заряд д, вызовет понижение потенциала, а выводимый заряд з/з — повышение потенциала плавающего затвора, Резулыируюшее изменение потенциала плавающей шины будет пропорционально разности зарядовых пакетов, передающихся по верхним н нижним цепочкам.
Операцию дифференцирования можно реализовать путем соединения плавающих затвоРов двух соседних разрядов (рнс. 4.17, а), При этом зарядовый пакет 0„(л7) из элементов / экстрагируется н вызывает увеличение потенциала (/ю одновременно в элемент 2 вводится зарядовый пакет Д„((л з 1)Т), соответствующий следующей выборке сигнала. На плавающей шине формируется сигнал, пропорциональный разности двух зарядов или производной передаваемого аналогового сигнала. 708 Часть l)у. Функциональная электроника Операция интегрирования сигнала является обратной операции дифференцирования и осуществляется суммированием (накоплением) зарядовых пакетов.
Па ПЗС-структурах выполняют аналогово-цифровые и цифроаналоговые процессоры мультиплексоры и дом>льтиплексоры. Мультиплексор, например, служит для временной задержки н накопления информации (рис. 4.17, о). Талговая частота подбирается таким образом, чтобы задержка между от дельными входами была равна времени перемещения изображения между входными при емниками. При этом происходит когерентное сложение зарядовых пакетов. Важно отметить, что шумы складываются иекогерентно.
Логические ячейки и операции могут быть реализованы с помощью комбинации уже рассмотренных устройств, предназначенных для арифметических операций. б) е) Рис. 4лт. схемы дифференцирования и умножения сигналов )е) и мультиплексора 16) Подадим на входные электроды в отдельности или па оба сразу напряжение, соответствующее логической единице, Возникающий зарядовый пакет также будет иметь величину, соответствующую логической единице (рис, 4.17), С любого из входов Х, или Хь благодаря зарядовой связи перемещается пол общий электрод и далее индицирусгся как логическая единица.
Вели же логическая единица подается сразу на оба входа, то на общем электроде будет удвоенный заряд. Для преобразования такого удвоенного зарядового пакета в зарядовый пакет, соответствующий логической единице, формируется регулгн руемый сток заряда. Он отделяется от потенциальной ямы под общим электродом с помощью потенциального барьера в виде ионно-легированной области. Высота барьера выбирается такой, чтобы в потенциальной яме оставался зарядовый па кег, строго соответствующий логической единице. Стоком является обратносмещенный р — п-переход. на рис. 4,18, а представлена лопщеская пзс-ячейка, выполняющая операцию лог.ическо го сложения (ИЛИ). б) е) Рис.
4ЛВ, логические ПЗС-ячейки е — схема реализации функции ИЛИ; б — функции И 4. Функциональная полупроводниковая электроника 700 Логическая ячейка для операции логического умножения (И) строится аналогично ячейке типа ИЛИ. За время действия напряжения фазы Ф, потенциальные ямы образуются под электродами 0 и С Под электрод С заряд попалает только в том случае, если на оба входа Х, и Х, подаются одновременно зарядовые пакеты, соответствующие логической единице. По окончании действия фазового напряжения Ф, начинает действовать напряжение Фь Этим напряжением зарядовый пакет перемещается на выход из-под электрода С, а из-под электрода !Э переводится в обратносмещенную область и затем экстрагируется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
