Фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС).

ФПЗС называется изделие электронной техники, предназначенное для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, действие которого основано формировании и эффективном переносе дискретных фотогенерируемых зарядовых пакетов по поверхности или внутри полупроводникового материала.

В зависимости от назначения ФПЗС подразделяют на линейные и матричные. В линейных ФПЗС фоточувствительные элементы расположены в 1 ряду. За один период интегрирования (считывания) линейные ФПЗС преобразовывают в электрический сигнал одну строку (линию оптического изображения).

В матричном ФПЗС элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. За один период интегрирования матричные ФПЗС преобразовывают в электрический сигнал один кадр оптического изображения.

В зависимости от способа сканирования фотогенерируемых зарядов ФПЗС делятся на:

1. Приборы с зарядной связью, в которых зарядовые пакеты передаются выходному устройству в следствии перемещения положения потенциальных ям.

2. Приборы с зарядовой инжекцией, в которых перемещение зарядового пакета происходит внутри фоточувствительного элемента с последующей инжекцией в подложку или в область стока.

Параметры ФПЗС:

1. Интегральные и спектральные чувствительности, темновой ток и напряжение.

2. Напряжение (ток) насыщения (светосигнальная характеристика).

Светосигнальную характеристику определяют как напряжение (ток), соответствующее максимальному сигналу секции накопления, при котором сохраняется обусловленное качество изображения.

3. Динамический диапазон.

4. Время готовности (время запаздывания).

5. область спектральной чувствительности.

6. К геометрическим параметрам относят размеры фоточувствительного поля, размеры фоточувствительных элементов и их число.

7. Для сопряжения ФПЗС с элементами электронных схем используются параметры выходное сопротивление и ёмкость, а также входные ёмкости секции накопления и переноса.

Вопрос 3

Принцип действия ФПЗС.

Одиночная ФПЗС ячейка представляет собой МОП (металл окисел n/n) конденсатор

Когда электрическое поле, создаваемое источником, проникает в кремний (полупроводниковый материал) сквозь диэлектрик, электроны образовавшиеся в результате фотогенерации будут накапливаться на границе окисел-кремний и как бы сваливаться в потенциальную яму.

В потенциальную яму попадают электроны, высвобожденные в результате теплового движения, либо в результате фотогенерации, т.е. под действием света.

Глубина потенциальной ямы зависит от уровня приложенного напряжения, а её заряд от количества электронов. Чем выше освещённость рабочей поверхности (затвора), тем больше количество не основных зарядов попадает в яму. Заряд приблизительно равен освещённости затвора..

Если на второй элемент тоже подан положительный заряд причем , если элементы расположены близко, то их потенциальные ямы объединяться и электроны, находящиеся в одной из них, перенесутся в соседнюю, если её потенциал выше (она глубже).

Если мы имеем цепочку элементов, то можно подавая на них соответствующие управляющие напряжения передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры.

Свойство ФПЗС самосканирования состоит в том, что для управления цепочкой элементов любой длины достаточно всего трёх таковых шин: передающий электрод, принимающий и изолирующий (разделяет пары принимающего и передающего электрода).

Вопрос 4

Трехфазный ФПЗС регистр.

Электрод прозрачен и облучается светом, представляет собой секцию накопления, т.е. под первым затвором накапливаются фотогенерируемые электроны.

Когда на электроде появляется потенциал больше, чем на , то под ним начинает образовываться потенциальная яма, в которую перетекают электроны из . Через какое-то время яма всхлопывается. Затвор называется секцией считывания (целиком изолирована от света), а электрод называется изолирующим (изолирует пары приёмников друг от друга).

Экспозиция фоточувствительных элементов должна быть не больше периода управляющего напряжения формирует стоп канал.

Для полной передачи заряда из одной ямы в другую требуется время, так что при высокой тактовой частоте (для TV стандарта она составит в регистре считывания МГц в зависимости от числа элементов по горизонтали) этого времени может не хватить. Величина, показывающая какая часть зарядового пакета передалась в следующий элемент ФПЗС, называется эффективностью переноса. Величина с ней связанная – неэффективность .

В рассмотренной схеме перенос осуществляется у самой поверхности раздела окисел/полупроводник – ФПЗС с поверхностным каналом. Эти ПЗС имеют ограниченное быстродействие, максимальная тактовая частота 10 МГц.

Существуют ПЗС с объёмным каналом, канал формируется внутри полупроводника. Тактовая частота достигает 100МГц.

Вопрос 5

Линейные ФПЗС.

Должны обеспечивать два режима работы: восприятие строки оптического изображения, преобразование её в строчную картинку зарядовых пакетов – накопление и сканирование.

Обычно эти функции разделяют.

Линейные ФПЗС состоят из двух групп изолированных друг от друга фоточувствительных элементов. Каждая группа имеет общий затвор З1 и З2.

РС – регистр сдвига

СП – секция переноса

СН – секция накопления

Картина фотогенерируемых зарядовых пакетов формируется в фоточувствительном элементе секции накопления. Затем на разрешающие затворы поступают отпирающие напряжения, и вся картина зарядов параллельно передаётся в соответствующие элементы, защищённого от света РС. Заряд РС содержит М электродов при М элементной организации. Обычно линейные ФПЗС содержит устройство антиблюбинга (защита от локальных световых перегрузок) и содержит дополнительный общий затвор и сток.

Общая поверхность всех фоточувствительных элементов контактируется с затвором антиблюминга, потенциал которого чуть ниже потенциала стоп-каналов, т.е. потенциалов барьеров между соседними фоточувствительными элементами. Поэтому лишние электроны, которые образуются из подсветки из потенциальных ям фоточувствительных элементов через затвор антиблюминга перетекают в сток, т.е. рельефная картина, связанная с освещённостью не искажается.

Характеристики линейной ФПЗС:

1. Чувствительность – отношение выходного напряжения (тока) к освещённости поверхности ФПЗС при данном отношении сигнал шум. Обычно это отношение более 30дБ и чувствительность лежит в пределах 0,25-1 Лн/мкВ.

Для увеличения чувствительности и улучшения линейности в ФПЗС в качестве фоточувствительного элемента могут применяться фотодиоды и каждая ячейка состоит из фотодиода и трёх затворов.

Оценочные предельные параметры.

1) Число фоточувствительных элементов до 4000.

2) Шаг фоточувствительных элементов до 12 мкм.

3) Динамический диапазон 70-80 дБ.

4) Частота вывода информации 10-20 МГц.

Вопрос 6

Матричные ФПЗС.

В настоящее время используются 2 типа твердотельных матриц: с кадровым переносом, со строчно-кадровым переносом.

Матричные ФПЗС с кадровым переносом упрощённо могут быть представлены:

СН – секция накопления

СХ – секция хранения

РС – выходной регистр (сдвига)

ВУ – выходной усилитель

- размерность матрицы

- фоточувствительный элемент

n, m – точки его расположения

Временный цикл работы матричной ФПЗС с кадровым переносом

- режим обогащения.

На фоточувствительные элементы памяти подаётся предварительное смещение для отчистки фоточувствительного элемента от остатков заряда предыдущего цикла, а также заряда, накопленного в результате генерации и исключения люминга.

- время накопления.

Происходит формирование фотозарядов, отображающих пространственное распределение поля излучения. Поддержание секции памяти в режиме обогащения в течение времени позволяет исключить сбор терморегулированных зарядов в секции памяти.

- время перезаписи.

Перезапись зарядов из фоточувствительного элемента в защищённую от света область в секции формирования М строк изображения.

Длительность этапа перезаписи стараются уменьшить, чтобы не было чрезмерного накопления термогенерируемых зарядов.

- построчный сдвиг информации зарядов и поэлементный вывод во внешнее устройство.

Это время включает в себя время выхода строки М элементов и М строк.

ПХ – время прямого хода по строке (прямой ход)

ОХ – обратный ход по строке.

Время прямого хода >> время обратного хода.

Цикл повторяется.

2. В матричных ФПЗС со строчно-кадровым переносом заряда секции накопления и памяти совмещены в одну секцию, фоточувствительные элементы которой примыкают к вертикальным регистрам сдвига, в который заряды перетекают после накопления и по которому они перемещаются к горизонтальному регистру сдвига.

После окончания экспозиции заряды всех строчных фоточувствительных элементов одновременно переносятся в регистр примыкающих матриц, защищённый от света. Обнуляются все фоточувствительные элементы и начинается новый цикл работы.

Заряды всех строчных импульсов, которые хранятся в вертикальных регистрах сдвига, переносятся в горизонтальные РС.

Достоинства ФПЗС:

- при кадровом переносе использование кадрового света близко к 100%.

- при строчно-кадровом переносе строчные регистры занимают 50% площади кристалла.

- глубина яркостной модуляции по вертикали одинаковая у двух типов, по горизонтали у строчно-кадрового увеличивается.

Общая площадь при кадровом переносе больше в 2 раза, что способствует появлению дефектов в виде белых (черных) столбцов и точек.

Разработаны специальные матричные ФПЗС с целью снижения разрешающей способности. Это достигается за счет увеличения масштаба изображения с помощью фокона.

Вопрос 7

Матричные ФПЗС с инжекцией.

Перемещение заряда осуществляется внутри фоточувствительного элемента с последующей инжекцией в подложку (в область стока).

Достоинства:

1. Практическое отсутствие потерь передачи

2. Возможность использовать фотодиоды имеющие более высокую чувствительность в качестве фоточувствительного элемента.

3. Более высокие перегрузочные свойства.

4. Возможность организации выборки произвольного элемента.

Недостатки:

1. Сложность внутри-кристального обрамления.

2. Увеличение в 20 раз шумов считывания.

Применение ограничено.

Структурная схема ФПЗС с межкадровой обработкой выделяющая движущиеся объекты на фоне неподвижных.

- внешний инвертор.

Цикл работы.

Накопление -го кадра секции накопления (СН). Перенос картинки -го кадра в секцию памяти (СП). Накопление кадра в СН и хранение в это время предыдущего кадра в СП.

Синхронная передача и кадров на выходе вычитающий усилитель через универсальный и выходной регистры.

Коэффициент подавления стационарного изображении 40 дБ.

Происходит регистрация движущегося объекта в состоянии 1/30 по отношению к стационарному изображению.

Вопрос 8

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: