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.

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.

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.

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).

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.

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

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

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.

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.

1) Число фоточувствительных элементов до 4000.

2) Шаг фоточувствительных элементов до 12 мкм.

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

Матричные ФПЗС с кадровым переносом упрощённо могут быть представлены:

Временный цикл работы матричной ФПЗС с кадровым переносом

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.

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.

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)

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.

- 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.

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

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

4. Возможность организации выборки произвольного элемента.

1. Сложность внутри-кристального обрамления.

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

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

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.

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

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

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