Мдн фоточутливий елемент
Якщо на поверхні кремнію поряд чи над МДН транзистором сформувати фотодіод, то утворюється транзисторна структура, чутлива до зовнішнього світла. Найчастіше її використовують за схемою, показаною на рис.6.2.
Рис. 6.2. Схема функціонування фоточутливого елементу з фотодіода і МДН транзистора
Перед початком роботи анод фотодіода підключають до джерела напруги +Е. Конденсатор, утворений МДН структурою, тобто затвором, тонким шаром діелектрика і основою з кремнію, заряджається до цієї напруги. Коли анод фотодіода перемикають на «землю», фотодіод запирається, електричний струм через нього не тече, і електричний заряд, накопичений на затворі, може при відсутності світла зберігатися дуже довго. Якщо фотодіод засвітити, то в ньому з’являється фотострум, і частина електричного заряду стікає з вентильного електроду на «землю». Чим більша світлова «експозиція», тобто добуток світлового потоку на час засвітки, тим більша частина початкового електричного заряду стікає, і тим меншим стає потенціал вентильного електроду.
Матриця фоточутливих елементів
З таких фоточутливих елементів на поверхні кремнію можна сформувати цілу матрицю. Для того, щоб почергово зчитувати з фоточутливих елементів інформацію про отриману ними світлову експозицію, потрібно у кожний з них вбудувати ще транзисторний ключ. Тоді можна організувати процес почергового зчитування інформації за часом, відкриваючи ключ лише в потрібний момент, коли черга підійшла до даного чутливого елементу. КМДН технологія дозволяє сформувати потрібні ключі також у вигляді МДН транзисторів. Таким чином, кожний елемент найпростішої світлочутливої КМДН матриці для сприйняття чорно-білих зображень складається з одного фотодіода і двох МДН транзисторів (рис.6.3). МДН транзистор, до затвору якого приєднаний фотодіод, ми будемо називати «чутливим».
Окремі комірки світлочутливої матриці на рис.6.3 виділені штриховими прямокутними рамками. В лівій верхній комірці виводи пронумеровані. Виводи 1 усіх елементів з’єднуються з комутатором режиму, який для спрощення на рис.6.3 не показаний. Виводи 2 усіх елементів у рядку матриці з’єднуються з горизонтальною шиною, підключеною до відповідного виходу комутатора рядків. Виводи 3 усіх елементів з’єднані із спільним «відеовиходом» матриці. Він також на рис.6.3 не показаний. Виводи 4 усіх елементів, розташованих в одному і тому ж стовпці матриці, з’єднані із відповідною вертикальною шиною, підключеною до відповідного виходу комутатора елементів у рядку.
Рис. 6.3. Схема організації зчитування інформації з найпростішої чорно-білої світлочутливої МДН матриці
Функціонує схема так. На самому початку комутатор режиму роботи подає на аноди усіх фотодіодів напругу +Е. Це – режим підготовки до експозиції, під час якого на затворах МДН транзисторів накопичується позитивний електричний заряд. У режимі експозиції цей комутатор перемикає аноди фотодіодів на «землю». На матрицю з допомогою високоякісного об’єктива проектують зображення, яке потрібно сприйняти і перетворити в інформаційний відеосигнал. Під дією світла у фотодіодах протікає струм, і частина електричного заряду стікає на «землю». Коли закінчується час експозиції, комутатор від’єднує аноди фотодіодів від «землі», і струм через ізольовані фотодіоди припиняється, навіть якщо на них продовжує діяти світло.
У режимі зчитування відеосигналу комутатор рядків подає позитивний імпульс напруги на витоки чутливих МДН транзисторів першого рядка матриці, а комутатор елементів у рядку подає позитивний імпульс напруги спочатку на свій перший вихід. Внаслідок цього ключові МДН транзистори 1-го стовпця матриці (С1) привідкриваються. На відеовихід матриці при цьому може витікати струм зчитування лише з 1-го елементу 1-го рядка. У наступному такті комутатор елементів у рядку подає позитивний імпульс напруги на свій 2-й вихід, внаслідок чого ключові МДН транзистори 1-го стовпця матриці закриваються, а в 2-му стовпці (С2) відкриваються. На відеовихід матриці тепер витікає струм зчитування лише з 2-го елементу 1-го рядка. У наступних тактах аналогічно «знімаються» струми зчитування послідовно з 3-го, 4-го і т.д. елементів 1-го рядка. Після того як «знято» струм зчитування з останнього елемента 1-го рядка, комутатор рядків подає позитивний імпульс напруги на витоки чутливих МДН транзисторів 2-го рядка матриці, а комутатор елементів у рядку подає позитивний імпульс напруги знову на 1-й свій вихід. На відеовихід матриці витікає струм зчитування з 1-го елементу 2-го рядка. У наступних тактах комутатор елементів у рядку подає позитивний імпульс напруги почергово на усі свої виходи, внаслідок чого зчитується інформація з усього 2-го рядка матриці. І так рядок за рядком зчитується інформація про все зображення.
На цьому прикладі Ви можете побачити, як саме спостережуваний стан контрольованого об’єкту перетворюється в складний інформаційний сигнал. Нічого таємничого в цьому немає. Реальний об’єкт спочатку з допомогою фото об’єктива проектується в зображення на матриці чутливих елементів. А ланцюжок певним чином організованих електричних процесів приводить до виробітку відповідним чином організованої послідовності електричних сигналів, яка однозначно описує це зображення і дозволяє відтворити його на екрані монітора.