Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
МПИ с накоплением сигнала. На рис. 6.8 приведена схема типичного МПИ с накопительными ячейками.
Каждая накопительная ячейка состоит из фоточувствительного элемента — фотодиода V2 (или фоторезистора), разрядного ключа
176
-Tl Ucmp
Рис. 6.8. Структура многоэлементного матричного фотоприемника, работающего с накоплением сигналов
сброса на МДП-транзисторе VI и предварительного усилителя на МДП-транзисторах V3—V4.
Эквивалентная схема накопительной ячейки показана на рис. 6.9.
После замыкания ключа сброса на емкости Сг накопительного элемента устанавливается напряжение, близкое к напряжению питания. После размыкания ключа происходит разряд С« через Rt. При этом С( представляет собой собственную емкость фотодиода и параллельно подключенную входную емкость усилителя, a Rt — внутреннее сопротивление фотодиода в запертом состоянии, которое зависит от потока оптического излучения, воздей- _________________
ствующего на данный элемент. ипиг Г-
В данном случае Rt является нелинейным сопротивлением, и разрядный ток, протекающий через Ru почти не зависит от напряжения на нем. Таким образом, разряд Сг происходит практически с постоянной скоростью.
Полезный сигнал определяется степенью разряда С( за фиксированное время накопления Тв. Считывание напряжения на Ct осуществляется в момент замыкания ключа
Г
Накопительный\ здемент г ' КвыШ
\
Рис. 6.9. Эквивалентная схема накопительной ячейки
7 Г. Г. Ишаннн и др.
177
выборки /Свыб- В матричных МПИ сигналы считываются посредством выбора строки и столбца. Для этого на один из входов Yt подается импульс отпирающего напряжения, поступающий на затвор соответствующего транзистора УЗ. Кроме того, коммутируется один из выходов Xj. В результате выходная цепь транзистора V4 нужной ячейки подключается к нагрузочному резистору или ко входу преобразователя ток — напряжение (см., например, рис. б.З).
Значение регистрируемого сигнала в подобных МПИ зависит от энергии оптического излучения, поглощенной элементом за время накопления,
Гн
Uc = Sv J <D(f)<tt, В,
о
где Sv — интегральная вольтовая чувствительность элемента, В/Дж.
Общий недостаток всех рассмотренных выше МПИ — необходимость раздельно выполнять фоточувствительные элементы и схемы коммутации. Это предопределяет сравнительно большие габаритные размеры и потребляемую мощность фотоприемных устройств на их основе, а также высокий уровень внутренних шумов в проектируемых оптико-электронных приборах.
Ниже рассматриваются наиболее перспективные виды многоэлементных фотоприемников на основе приборов с переносом заряда (ПЗС и ПЗИ).
§ 6.2. Многоэлементные фотоприемные устройства на основе приборов с зарядовой связью
ПЗС-фотоприемник (ФПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл—диэлектрик—полупроводник), выполненных на одном кристалле и образующих систему элементарных конденсаторов. В ПЗС-структуре осуществляется: формирование зарядного рельефа, адекватного распределению освещенности на фоточувствительной поверхности, хранение и перенос зарядового рельефа в сторону выходного устройства, а также детектирование зарядов, т. е. преобразование пространственных зарядов в выходное напряжение видеосигнала. Таким образом, ФПЗС выполняет одновременно функции приемника и анализатора оптического изображения.
Благодаря регулярности структуры на одном кристалле ФПЗС удается разместить большое число (до 1 млн) элементов. Ниже будет показано, что современные матричные ФПЗС фактически являются многофункциональными приборами, которые могут работать по различным алгоритмам в зависимости от управляющих сигналов.
Рассмотрим более подробно работу ФПЗС в режимах накопления, хранения и считывания зарядов.
178
а)
Зона проводимости
Запрещенная зона
Валентная зона i „
Т Энергия ч I электрона
Металл 0пи се л Полупроводник п.-типа Расстояние от поверхности
Расстояние от поверхности
в)
Энергия
злентрона
Расстояние от поберхности
Рис. 6.10. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие принцип накопления зарядов в ПЗС-струк-туре с поверхностным каналом: при отсутствии напряжения обеднения (а), при наличии напряжения обеднения (б), после накопления зарядов в потенциальной яме (в)
Накопление. На рис. 6.10 показаны зонные энергетические диаграммы МДП-структуры при отсутствии напряжения между подложкой и металлическим электродом (рис. 6.10, а) и при наличии на электроде отрицательного относительно подложки потенциала (рис. 6.10, б).
Под воздействием внешнего поля зонные диаграммы искривляются. Вблизи границы раздела диэлектрик —полупроводник образуется потенциальная яма глубиной cps, в которой могут накапливаться неосновные носители заряда (дырки), возникающие за счет тепловой генерации и ,в результате поглощения квантов оптического излучения. Очевидно, что приповерхностный слой обеднен основными носителями (электронами), которые вытеснены внешним электрическим полем в глубь полупроводниковой подложки.
По мере накопления неосновных носителей глубина потенциальной ямы уменьшается и одновременно увеличивается напряженность поля в пленке окисла, как показано на рис. 6.10, в. После заполнения потенциальной ямы избыточные заряды будут инжектироваться в подложку, где они рекомбинируют с основными носителями. Часть избыточных зарядов может попадать в соседние потенциальные ямы, искажая зарядовый рельеф.
