5.5.1.  Датчики изображения на основе приборов с зарядовой связью

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