Фотоприемные ПЗС

Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) представляет собой фоточувствительную МДП ИМС с системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика так близко друг от друга, что существенным становится их взаимовлияние. Электрические поля соседних электродов перекрываются внутри кристалла полупроводника.

Электроды располагаются в виде линейки (строки) или матрицы. Типичные размеры электрода: длина 5 мкм, ширина 40 мкм. Зазоры между электродами (1÷2) мкм. Число электродов в матричном ФПЗС может превышать 10⁶.

Функционально ФПЗС – это прибор, воспринимающий изображение, осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, сканирование (поэлементное электронное считывание) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению.

Принцип действия ФПЗС можно пояснить рассматривая классическую трехтактную схему управления, в соответствии с рисунком 7.2.

Рисунок 7.2 – Схема процессов электронной ячейки ФПЗС

Элементарная ячейка ФПЗС содержит три соседних электрода 1, 2, 3 одной строки. В течение первой фразы к электроду 2 прикладывается положительное напряжение хранения (U_ХР в пределах от 10 до 20 В).

Благодаря возникающему электрическому полю основные носители - дырки оттесняются в глубь полупроводника, а у поверхности образуется обедненный слой глубиной от 0,5 до 2 мкм, представляющий собой потенциальную яму для электронов. Освещение поверхности порождает в объеме полупроводника генерацию электронов и дырок. При этом электроны втягиваются в потенциальную яму и локализуются в тонком (около 10нм) приповерхностном слое. Накопление электронов ведет к образованию зарядового пакета, который определяется локальной интенсивностью и временем засветки. Зарядовый пакет может относительно долго (от 1 мс до 100 мс) сохраняться, однако постепенно термогенерация электронов объемными и поверхностными ловушками приводит к искажению хранимой информации.

Во время второй фазы к электроду 3 прикладывается напряжение считывания U_СЧ, превышающее напряжение U_ХР. Вследствие близости электродов 2 и 3 барьер между ними исчезает и зарядовый пакет перетекает в более глубокую потенциальную яму. На этой фазе так происходит частичная потеря информации: часть электронов зарядового пакета рекомбинирует при взаимодействии с поверхностными ловушками, а часть пропадает вследствие неполного перетекания зарядов. Во время третьей фазы напряжение на электроде 3 уменьшается до напряжения хранения U_ХР, а с электрода 2 потенциал снимается. На электродах, к которым не приложено напряжение хранения или считывания все время поддерживается небольшое напряжение смещения. Электрод 1 в этом процессе играет роль буфера, иначе слева от электрода 2 оказался бы электрод 3 предыдущей ячейки, и во втором такте зарядовый пакет равновероятно мог перетекать как вправо, так и влево.

Управление ФПЗС желательно осуществлять не прямоугольными, а трапециидальными импульсами, подаваемыми на электроды с небольшим временным перекрытием. В конце каждой строки имеется элемент вывода, например n+ - область под последним электродом. Вытекающий через p – n переход зарядовый пакет создает на нагрузочном резисторе выходной сигнал.

Аналогичный элемент ввода в начале строки служит для потактного введения (электрическим путем) в ФПЗС фоновых постоянных зарядовых пакетов, призванных «забить» поверхностные ловушки и ослабить их негативное действие. Фоновые заряды обеспечивают оптимальный рабочий режим (аналогично смещению используемому в электронных усилительных зарядах).

Таким образом, в ФПЗС пространственное распределение интенсивности излучения преобразуется в рельеф электрических зарядов, локализующихся в приповерхностной области. Зарядовые пакеты перемещаются от элемента к элементу, выводятся наружу и дают последовательность видеоимпульсов, адекватную полю излучения, таким образом, осуществляется стандартный телевизионный алгоритм восприятия образца. В матричном ФПЗС весь кадр образуется одновременно, в линейном – последовательно путем дополнительной развертки по второй координате.