Из всех устройств на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) наибольшее распространение получили фоточувствительные интегральные схемы. Любой твердотельный датчик изображения состоит из массива элементарных ячеек – пикселей.
Для пояснения принципа работы датчика на основе простейшего ПЗС (рис.5.22) рассмотрим устройство одного пиксела в режиме накопления.
Рис. 5.22. Элемент трехфазного ПЗС
Структурно датчик (рис. 5.22) состоит из кремниевой подложки p-типа 1, изолирующего слоя двуокиси кремния 2 и располагающихся на нём электродов 3. Основными носителями заряда в такой подложке являются положительно заряженные дырки. При подаче положительного потенциала на один из электродов (+V) под ним образуется область, обедненная основными носителями. На остальных электродах потенциал в этот момент равен нулю (0V).
В основу работы элемента ПЗС положено явление внутреннего фотоэффекта. Когда фотон проникает в кремний, происходит генерация пары носителей заряда – электрона и дырки. Под действием положительного потенциала (+V) дырка отталкивается в глубь кристалла, а под соответствующим электродом за счёт сил электростатического поля скапливаются неосновные носители заряда – электроны.
По завершении накопления заряда происходит его перенос в область хранения, путём последовательной подачи напряжения на следующие друг за другом электроды. В случае если элементы организованы в виде двумерного массива, перенос производится сразу целыми строками. Из области хранения заряды последовательно поступают в выходной усилитель, осуществляющий также преобразование заряда в напряжение, а затем в аналого-цифровой преобразователь.
Пусть на электроды однострочного фотоприемника на ПЗС (рис. 5.23) в режиме накопления информационного заряда поданы смещения, при которых потенциальные ямы максимальной глубины находятся под вторым электродом в каждой элементарной ячейке. Если такой прибор разместить в фокальной плоскости объектива, то в каждой потенциальной яме соберётся заряд, соответствующий освещённости в данной точке, и изображение будет записано в виде зарядовых пакетов. В конце строки размещается считывающее устройство (в простейшем случае обратносмещённый р-n-переход) и усилитель.
При подаче на электроды ПЗС (рис. 5.23) тактовых импульсов, обусловливающих перемещение зарядовых пакетов к выходному устройству, с выходного усилителя снима
ется последовательность импульсов, соответствующих световой картине. В направлении, перпендикулярном перемещению заряда, размер потенциальных ям ограничен чаще всего узкими областями полупроводника того же типа проводимости, что и подложка, но с концентрацией примеси значительно более высокой (так называемые стоп-каналы), благодаря чему в этих местах поле почти не проникает в глубь полупроводника.
Рис. 5.23. Схема фотоприёмного устройства на основе однострочной фоточувствительной интегральной схемы на приборах с зарядовой связью: ШИ – штриховое изображение; ФС – фокусирующая система; ПЗС – прибор с зарядовой связью; ВУ – выходное устройство; У – видеоусилитель;
ТЭ – телевизионный экран; 1, 2, 3, 4 – элементы изображения
При передаче зарядовых пакетов в такой фоточувствительной интегральной схеме часть носителей заряда остаётся в потенциальных ямах и теряется на ловушках и центрах рекомбинации. Характеристикой потерь носителей служит коэффициент неэффективности переноса (относительная потеря заряда при переносе на один электрод), составляющий для кремниевых приборов 10-4 (в случае переноса по границе раздела полупроводник-диэлектрик) и менее 10-5 (при использовании так называемого скрытого канала переноса).
Современные ПЗС-матрицы имеют под окислом кремния тонкий n-слой, так называемый объёмный канал переноса. Его наличие позволяет частично избавиться от влияния дефектов приповерхностного слоя полупроводника, что улучшает четкость получаемого изображения и снижает величину темнового сигнала. Кроме того, многие производители (например, Atmel Grenoble) для предотвращения эффекта растекания заряда при очень большой освещенности, использ
уют антибликовое покрытие
(antiblooming). Оно наносится на подложку матрицы и позволяет поглощать «лишние» фотоны, повышая чёткость изображения на верхней границе динамического диапазона.
Изготовлением датчиков на основе приборов с зарядовой связью на сегодняшний день занимаются многие ведущие производители – Texas Instruments, SONY, ATMEL (рис. 5.24), SAMSUNG, SHARP и др. В России существует единственный производитель датчиков на основе ПЗС – Государственное Унитарное Предприятие НПП «Электрон-Оптроник» из Санкт-Петербурга. В табл. 5.1 отражены основные характеристики некоторых производимых в настоящее время ПЗС-матриц.
Таблица 5.1
Основные характеристики ПЗС-датчиков изображения различных производителей
Производитель |
Тип прибора |
Размер пиксела, мкм |
Размер области изображения, мм |
Количество активных пикселей |
Примечание |
ATMEL |
TH7899M |
14 x 14 |
28,67 (H) x 28,67 (V) |
2048 x 2048 |
4 канала считывания изображения |
SAMSUNG |
S5F325NU02 |
9,6(H) x 7,5(V) |
6 (H) x 4,95 (V) |
510 (H) x 492 (V) |
Оптический формат 1/3? |
SHARP |
RJ21R3BA0PT |
3,1 x 3,1 |
7,6 (H) x 5,06 (V) |
2452 (H) x 1634 (V) |
Цветной |