Фотоэлектронные преобразователи «свет — сигнал» на основе приборов с зарядовой связью

Ускоряющийся прогресс в области электронной элементной базы отразился практически на всех областях человеческой деятельности. Одно из ведущих мест здесь бесспорно принадлежит телевидению и разнообразным видеосистемам [2]. Вытеснение громоздких электровакуумных приборов (передающих телевизионных трубок и кинескопов) матричными преобразователями «свет — сигнал» и «сигнал — свет» явилось революционным достижением микроэлектроники. Среди современных фотоэлектронных преобразователей «свет — сигнал» в первую очередь следует назвать приборы с зарядовой связью (charge coupled device), сокращенно ПЗС (CCD). Их входным сигналом является интенсивность светового потока (Ф), которая преобразуется в аналоговый уровень накопленного заряда в каждой ячейке ПЗС. Этот заряд перемещается к выходному устройству, в котором и происходит преобразование заряда в выходное напряжение u_Bhlx(t).

Принцип работы ПЗС можно пояснить на простейшей структуре в виде линейки или цепочки одинаковых ячеек, показанной на рис. 21.24, а. Полу;

Рис. 21.24. Четырехфазные регистр сдвига (а) и последовательность управляющих импульсов (б).

проводниковая подложка p-типа покрыта тонким слоем прозрачного диэлектрика (SiO.,), на котором располагается цепочка электродов, выполненная из прозрачного проводника. Один элемент рассматриваемой линейки в укрупненном виде показан на рис. 21.25. Световой поток, направленный перпендикулярно плоской поверхности электрода, через него и диэлектрическую прослойку попадает на подложку.

Рис. 21.25. МОП-конденсатор

В отсутствие светового сигнала под действием положительного напряжения, поданного на один из электродов, основные носители заряда (дырки) откатываются вниз от электрода, а немногочисленные неосновные носители (электроны) притягиваются к поверхности полупроводника под электродом, где образуется область, обедненная носителями заряда (см. рис. 21.25). Элемент, показанный на рис. 21.25, называется МОП-конденсатором. Под воздействием луча света происходит дополнительная генерация электронно-дырочных пар, тем большая, чем интенсивнее световой поток. Образовавшиеся электроны направляются вверх к электроду, а дырки оттесняются от электрода вниз.

Таким образом, иод электродом, на который подан управляющий положительный импульс, накапливается заряд из электронов, количество которых зависит от силы светового потока Ф. Можно утверждать, что в каждой ячейке ПЗС имеет место преобразование интенсивности света Ф в суммарный заряд электронов q. Этим заканчивается процесс записи данной информации в ПЗС.

Рассмотрим процесс считывания записанной информации. Он осуществляется путем последовательного перемещения накопленного заряда по цепочке очень близко расположенных друг от друга МОП-конденсаторов на выход ПЗС. С этой целью производятся одновременное снятие напряжения с данного электрода и подача его на соседний электрод, например справа. За счет этого накопленный заряд перетекает к «соседу» справа и т. д. Для исключения перемещения зарядов в противоположную сторону напряжение на соседние электроды слева одновременно не подается. Заряд с крайнего в линейке МОП-конденсатора поступает на вход расположенного рядом на том же кристалле истокового повторителя, осуществляющего преобразование заряда в выходное напряжение u_nm(t).

В рассмотренном примере ПЗС действует по принципу сдвигового регистра. В общем случае все электроды ПЗС и соответствующая им последовательность импульсов, управляющая процессом сдвига зарядов, разбиваются на группы из двух, трех, четырех, а иногда шести и восьми электродов (фаз). Для определенности рассмотрим четырехэлементные группы. Каждый из четырех электродов в группе подключается к своему источнику импульсной последовательности е_х(?), e₂(t)> e₃(t), e₄(t). Эти последовательности импульсов сдвинуты друг относительно друга так, что образуют собой симметричную четырехфазную систему. Под воздействием такой совокупности управляющих импульсов происходит последовательное считывание информации, начиная с ближайшей к выходу ячейки.

Качество (эффективность) переноса зарядов в регистрах сдвига на ПЗС в значительной степени зависит от неизбежно возникающих переходных процессов в их цепи управления, обусловленных наличием собственной емкости у каждой из фаз, межфазными емкостями, а также внутренним сопротивлением генератора импульсов управления. На рис. 21.26 приведена эквивалентная схема для расчета переходных процессов в цени управления четырехфазной линейки ПЗС.

Рис. 21.26. Эквивалентная схема для расчета переходных процессов у четырехфазных ПЗС

В общем случае анализ переходных процессов в многофазных регистрах сдвига на ПЗС проведен в [18, 19]. В результате анализа выработаны рекомендации по выбору оптимальной формы управляющих импульсов, в том числе длительности их фронтов.

Линейные преобразователи «свет — сигнал» на ПЗС состоят из одной строки фоточувствительных элементов (фотодиодов) и регистра сдвига на ПЗС. Они широко применяются в различных сканерах, в том числе и в спектрозональных сканерах при исследовании природных ресурсов Земли с помощью спутников [21].

Матричные преобразователи «свет — сигнал» на ПЗС состоят из светочувствительной секции накопления зарядов, секции их хранения (секции памяти) и выходного регистра. В секции накопления заряды, возникающие под действием светового потока, накапливаются в течение длительности кадра (поля), в конце которого быстро переносятся в защищенную от света секцию памяти, а из нее построчно сбрасываются в выходной регистр [2,17]. Такие матрицы включают в себя Z_a светочувствительных ячеек в столбце и N_a столбцов, т. е. светочувствительных ячеек в строке. Общее число активных светочувствительных элементов изображения, или пикселей, в матрице равно Х_а = ZJ$_a.

Пиксель {pixel) является сокращенной формой английского словосочетания picture cell, обозначающего наименьший элемент изображения, и часто используется как наименьшая единица при характеристике двумерного цифрового изображения. В инженерной практике пикселем называют также элемент схемы (ячейку), формирующий такое изображение.

В настоящее время в матричных формирователях сигналов изображения число светочувствительных ячеек (пикселей) Х_а достигает нескольких миллионов. Например, в цифровых ТВ-камерах стандартной четкости Z_u = = 576, N_a = 720, а Х_а = Z_aN_u = 414 720 ~ 0,4 мегапикселей (Ми). В стандарте сверхвысокой четкости (ТСВЧ) Z_a = 4320, N_a = 7680, а Х_а = 33,2 Ми.

В последнее время в матрицах ПЗС, предназначенных для камер цветного телевидения, МОП-конденсаторы (см. рис. 21.25) в качестве светочувствительных элементов используются сравнительно редко из-за низкой чувствительности в синей части видимого спектра. Им на смену пришли фотодиоды, но функции переноса накопленных в фотодиодах зарядов, как и прежде, возлагаются на регистры сдвига, выполненные на 1I3C [2, 15].