Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
?т « ехр \~EjkT],
где Ев — ширина запрещенной зоны полупроводникового материала.
Понижение температуры кристалла на каждые 10 °С уменьшает темновой ток приблизительно в два раза. Некоторые из современных ФПЗС выполняются в виде конструктивно законченных модулей со встроенным микрохолодильником.
Отметим, что в каждой накопительной ячейке ФПЗС средняя плотность темнового тока tT при фиксированной температуре остается относительно стабильной. Таким образом, геометрический шум является по существу детерминированной помехой, которую в некоторых случаях можно скорректировать аттестацией данного экземпляра ФПЗС, входящего в состав измерительной системы. В специальном запоминающем устройстве можно хранить массив поправочных коэффициентов, учитывающих отклонение средней плотности темновых токов для каждой накопительной ячейки.
Перенос. В ФПЗС считывание накопленных зарядов Q (xit у3), несущих информацию о распределении освещенности в плоскости анализа изображения, осуществляется последовательно — переносом зарядового рельефа вдоль поверхности ПЗС-структуры в сторону выходного устройства. Это достигается за счет переключения потенциалов на управляющих шинах Ф1, Ф2, ФЗ. Оптимальные условия для «перетекания» зарядовых пакетов при сохранении пространственной структуры зарядового рельефа обеспечи-
182
J<p1
Vtp2
V(p3
?
U подложки
Uобеднения
Рис. 6.13. Временные диаграммы управляющих импульсов на фазах управления в режиме переноса зарядов
ваются, если каждый раз новая потенциальная яма под смежным электродом создается, пока еще существует старая потенциальная яма. На рис. 6.13 приведены временные диаграммы управляющих сигналов на фазах Ф1—ФЗ во время переноса.
Эффективность переноса зарядов, т. е. полнота передачи зарядов из одной потенциальной ямы в другую за ограниченное время, зависит от амплитуды и от формы управляющих импульсов. Прямоугольная форма управляющих импульсов в отличие от синусоидальной более предпочтительна, так как при этом максимальный передаваемый заряд приблизительно на 25% больше. Следует иметь в виду, что генератор управляющих импульсов фактически работает на емкостную нагрузку, которую представляют собой управляющие шины ПЗС-структуры. По этой причине напряжение на управляющих электродах всегда отличается от прямоугольной формы за счет «завала» фронтов импульсов. Для оптимальных условий переноса зарядов длительность фронта
должна быть в 4—5 раз меньше длительности управляющих импульсов Та.
Заряды из одной потенциальной ямы в другую перетекают в результате диффузии и дрейфа носителей. Причем наибольшая часть заряда перетекает в начальный период времени за счет дрейфа носителей в электрическом поле, существующем благодаря разности потенциалов между пустой и заполненной потенциальными ямами. По мере выравнивания потенциалов скорость перетекания зарядов уменьшается, и далее процесс протекает в основном за счет диффузии носителей. Таким образом, во-первых, для передачи зарядов требуется определенное время, а .во-вторых, передача зарядов не может быть полной. По этой причине скорость переключения потенциальных ям и суммарное число актов передачи ограничены.
В связи с указанными выше обстоятельствами рассмотрим искажения зарядового рельефа, возникающие при переносе.
183
Каждый акт переноса заряда из одной потенциальной ямы в другую сопровождается потерей части зарядов из-за неполного переноса за ограниченное время. Эти потери можно охарактеризовать коэффициентом неэффективности
е=1— Яг/Яи (6.20)
где <7i — заряд до акта передачи; q2 — заряд, перенесенный в соседнюю потенциальную яму.
Коэффициент неэффективности переноса — один из важнейших параметров ФПЗС.
В первом приближении можно считать, что е остается постоянным при каждом последующем переносе. Тогда заряд после одного акта передачи составит
Qi = Яо — Яо& = Яо (1 8)’>
после второго
Яг = Яо (1 — е)а;
после п актов передачи
Яп =9о (1 — е)п,
где Яо — заряд, накопленный в ячейке до переноса; п = km\ k — число фаз управления (в трехфазных ПЗС k = 3); т — число ячеек вдоль направления переноса.
Коэффициент неэффективности переноса зависит и от скорости переноса, т. е. от тактовой частоты переключения потенциалов /т. С увеличением fT увеличивается в. Так, для ПЗС с поверхностным каналом переноса (перенос и накопление осуществляются в непосредственной близости от поверхности полупроводника) коэффициент неэффективности при частоте fT =15 мГц составляет е « 10-4. Это означает, что при передаче заряда вдоль всей линейки ФПЗС, содержащей 512 накопительных ячеек, потери заряда могут достичь 10—15%.
Следует отметить, что искажения зарядового рельефа, вызванные неполной передачей зарядов, носят детерминированный характер и при необходимости могут быть скорректированы, если известны соответствующие параметры данного ФПЗС.
Однако наряду с детерминированными искажениями зарядового рельефа на практике существуют и случайные искажения, возникающие вследствие захвата части зарядов на так называемые поверхностные состояния (ловушки). Концентрация ловушек особенно велика вблизи границы раздела окисел — полупроводник.
