Заряд байланысы бар құрал – қабылдағыш фотоқұралдар

Заряд байланысы бар фотосезгіш құрал(ЗБФҚ) бір – біріне жақын диэлектрик бетінде орналасқан диод жүйесіндегі МДШ құрылымымен ИМС фотосезгіштігін ұсынады. Көрші электродтардың электр өрісі шалаөткізгіш кристалының ішіне жасырынады.

Электродтар сызық немесе матрица тәрізді орналасады. Электродтардың типтік өлшемі: ұзындығы 5мкм, ені 40 мкм.электродтар арасындағыы қуыс(зазор) 1...2 мкм. Матрицалық ЗБФҚ-да электродтар саны 10⁶ дейін өсе алады.

Функционалды ЗБФҚ – бұл сканирлеуші және видеосигнал шығысын формалаушы қарапайым фрагменттерге қойылуын қамтамасыз ететін бейне қабылдағыш құрал.

ЗБФҚ-ның жұмыс істеу принципін 6.23 – суретте көрсетілгендей басқарушы үштактілі схемасының көмегімен түсіндіруге болады.

ЗБФҚ-ның қарапайым ұяшығы үш көршілес электродты құрайды. Алғашқы фаза кезінде 2 электродқа оң сақтау кернеуі қойылады U_с = 10...20 В. Электр өрісінің туындауы әсерінен негізгі тасушылар шалаөткізгішке тереңірек ығысады, ал бетінде 0,5...2 мкм тереңдікпен азайтылған қабаты түзіледі.

6.23 – сурет.

ЗБФҚ басқарудың үшфазалы схемасы

Бетінің жарықтануы шалақткізгіш көлемінде электрон – кемтіктік жұпты туындатады. Осыдан кейін электрондар жұқа беткі қабатында (10нм шамасында) потенциал шұңқырына созылады. Электрондардың жиналуы локальді интенсивтілікпен және жарықтану уақытымен анықталатын заряд пакетінің құрылуына әкеледі. Заряд пакеті ұзақ сақталуы мүмкін(1 – 100 мс аралығында), бірақ әркез көлемді және беткі тұзақпен электрондардың термогенерациясы сақталған информацияның бұзылуына алып келеді.

Екінші фаза кезінде 3 электродқа U_сақ кернеуін көтеретін U_сан санау кернеуі қойылады. 2 және 3 электродтардың жақындауы әсерінен олардың арасындағы барьер жойылады да, заряд пакеті потенциал шұңқырына тереңірек ағады. Бұл фазада информацияның бөлік шығыны былай жүзеге асады: заряд пакетінің электрод бөлшегі беткі тұзақпен өзара әсерлескенде рекомбинацияланады, ал бір бөлігі зарядтардың толықтай ақпауынан жоғалады. Үшінші фаза кезінде 3 электродтағы кернеу U_сақ кернеуіне дейін төмендейді, ал 2 электродтағы потенциал алынады. U_сақ кернеуі немесе U_сан санау кернеуі берілмеген электродтарда барлық уақытта аздаған ығысу кернеуі ұстап тұрады. 1 электрод бұл процессте буфер рөлін атқарады. Әйтпесе 2 электродтың оң жағында алдыңғы ұяшықтың 3 электроды және екінші тактіде заряд пакеті оң жағына да, сол жағына да аға беретін еді.

ЗБФҚ-ны басқару мүмкін болса үшбұрышты шығармау керек, электродқа уақытша бөгет беретін трапециялық импульстарды шығару керек. Соңында әр қатарда шығыс элементі болады., мысалы п⁺ - облысы соңғы электродтың алдында орналасады.р – п өткелі арқылы ағатын заряд пакеті жүктеме резисторында шығыс сигналды шығарады.

Кіріс аналогты элементі қатар басында ЗБФҚ -да «толы» деп аталатын беткі тұзақтар мен олардың негативті әрекетін әлсірететін тұрақты заряд пакетіндегі такт кіріспесі үшін қызмет етеді. Фондық зарядтар оптималды жұмыс режимін қамтамасыз етеді(электронды күшейту зарябында қолданылатын аналогт ығысу).

Осылайша ЗБФҚ-да сәулелену интенсивтілігінің кеңістікте таралуы беткі ауданында локализациялайтын электр зарядының рельефінде туындайды. Заряд пакеттері элементтен элементке ауысады, сыыртқа шығады да, видеоимпульстардың тізбектейлігін және адекватты сәулелену өрісін береді, осылайша стандартты телевизиялық алгоритм жүзеге асады.

Матрицалық ЗБФҚ-да барлық кадр бір уақытта, сызықтыда – тізбектей екінші координата бойынша қосымша айналдыру әдісімен құрылады.

6.13.

МОП – ТРАНЗИСТОР НЕГІЗІНДЕГІ ФОТОДИОДТЫ СБИС

Қазіргі уақытта ФПЗС-ьі жүзеге асыру кезінде, ішкі схемаларды басқарумен және бейннні өңдеумен бірег КМОП-ФД интенсивті жөндеу жұмыстары жүргізіліп жатыр.

КМОП-ФД – ның жұмыс істеу принципін қарастырайық. СБИС 6.24 – суретте көрсетілгендей активті фотосезгіш элементтердің матрицасынан, басқару схемалары, шығыстағы әр бағанды санайтын аналогты күшейткіштер, АСТ және басқа да сандық блоктардан тұрады.

Мұндай матрицалық басқару схемасында фильтрация және бейне сигналын реттеу сияқты мүмкіндіктерді кеңейтетін сигналдардың координатты өңдеуін жүзеге асырады. Мақсаты бар және сол мақсатты қажет ететін элементтің ғана сигналын санау жолымен шешетін интерфейс терезесін айшықтау тапсырмасы. Оның кадрдан үлкен бөлігін алмауына байланысты барлық кадр санауға тиіс ФПЗС-мен санау жылдамдығы үлкейтілген болуы мүмкін.

6.25 – суретте бейнеленген активті элемент фотодиодтан және фотодиодтан жинақталған заряд санау функциясын орындайтын төрт транзистордан құралған.

6.24 – сурет.

КМОП – ФД СБИС структуралық схемасы

6.25 – сурет.

Активті пиксел схемасы

VT₃ транзисторында шығыс қайталағш орындалған; VT₄ транзисторы қатар таңдау элементі болып табылады. Сигналдарды интегралда режиміндегі VT₂ транзисторына берілген R импульсі нөлге тең. Фотодиод фотогенерацияланған электрондарды жинайды. Оардың жиналған мөлшеріне қарай диод потенциалы төмендейді. Нәтижесінде жалпы түйін потенциалы, VT₁, VT₂ ,VT₃ транзисторларына жалғанған, тербелмелі болады. Таңдау режимінде VT₂ транзисторына R = 1 қалпына келу импульсі түседі, VT₂ транзисторы ашылып, тербелмелі түйін потенциалы шығысқа дейін қалпына келеді. Сосын таңдалған қатардың барлық активті элементтеріне VT₁ транзистор затворына түсетін S = 1 импульсі беріледі. RS = 1 таңдау қатары импульсінің келуінен кейін VT₄ транзисторы ашылады. VT₃, VT₄ транзисторлары және бағанның толық жүктеме транзисторы шығыс жинақтаушыны құрады, сонымен қатар баған шинасына қуат бойынша күейтілген фотодиод сигналы келіп түседі. Шығыс қайталағыштың кернеу бойынша жіберу коэффициенті бірге жақын. Баған шиналарына таңдалған қатардың барлық элементінің саналған сигналы беріледі. Баған дешифраторы шина сигналдарын ізбектей таңдайды және оларды матрицаның жеке активті элементінің аналогты сигналдарды талдау схемасына жібереді. Санау режимін аяқтағаннан кейін RS = 0 сигналы және VT₄ транзисторы жабылады. Келесі бейне кадрының зарядын инау басталады.

ЗБФҚ алдындағы КМОП-ФД – ның негізгі ерекшелігі – бір кристалда қабылдау функциясын интеграциялау мүмкіндігі, бейнені талдау. КМОП-ФД –ның жетістігі қуаттың аз қолданылуы, қызығушыларға программалау мүмкіндігі және санау кезіндегі жоғары жылдамдық. ЗБФҚ-мен салыстырғанда негізгі кемшілігі: шудың жоғары деңгейі, фотосезгіштігінің төмендігі, қараңғы кездегі токтың жоғарылығы, үлкен активті элемент, рұқсат ету қабілетінің төмендігі.

КМОП-ФД-да қалпына келтіру процесінде шуды ескілеу үшін фотодиодты потенциалды шұңқырында фотогенерацияланған сигнал заряды жинақталатын фотосезгіш затвормен алмастыруды ұсынған болатын.

6.26 – суретте көрсетіген схемаға сәйкес санау режимінде VT₁ транзисторының затворына R1 қалпына келтіру импульсі ашылып беріледі. Тербелмелі затвор потенциалы шығыс деңгейіне дейін қалпына келеді. Жіберудің потенциал импульсі жинақталған сигнал заряды тербелмелі түйінге ағатын қосымша затворды ашады да фотосезгіш затвордың потенциал шұңқыры босайды. Түйін потенциалы заряд шамасына дейін төмендейді. Мұндай схема қалпына келтіру процесінің шуын ескілейтін екілік корреляциялық таңдауды орындауға ммүмкіндік береді.

6.26 – сурет.

Азшулы элменттің электрлік схемасы

Мұндай жағдайда тербелмелі түйін потенциалының қайта қалпына келуінен кейін VT₃ транзисторының затворына RS1 қатар таңдауының оны ашатын импульсі беріледі. VT₂ транзисторының затворындағы бастапқы кернеу шығыс қайталағыш арқылы баған шинасына беріледі және оның шығысында сақталады. Сигнал зарядының тербелмелі затворына VT₂ транзисторының кернеуі түскенде келіп түскен зарядтыі шамасына дейін кемиді, сонымен қатар бағанның шығыс шинасына жіберіледі. Нәтижесінде шығыс сигнал калпына келтіру шуын ескілейтін VT₂ транзистор кернеу айырмасын ұсынады. Фотосезгіш затвормен бірге схеманың кемшілігі фотодиодпен салыстырғанда затвордың төмен мөлдірлігімен шартталған фотосезгіштіктің төмендетілуі болып табылады.

6.3 –кестеде ЗБФҚ және КМОП-ФД –ның негізгі параметрлері келтірілген.

6.4.