8.7 Линейка полупроводниковых приборов с зарядовой связью пзс

ПЗС - специальная микросхема с прозрачным окном в корпусе, на подложке которой методами микроэлектронной технологии сформирована линейка ячеек ПЗС, способных преобразовать энергию света в электрические заряды и накапливать электрические заряды.

По существу линейка ПЗС представляет собой регистр сдвига. При подаче на него тактового импульса на выходе регистра появится амплитудно-модулированная импульсная последовательность сигнала, несущего информацию о степени освещенности тех или иных ячеек линейки.

За счет накопления зарядов линейка ПЗС в отличие от фотодиодной линейки обладает большей чувствительностью и меньшими габаритными размерами. Отечественные линейки ПЗС 2048 светочувствительных ячеек и обеспечивают развертку строки длиной 256 мм с разрешающей способностью 8 элементов/мм.

Изображение оригинала проектируется на линейку ПЗС с большим уменьшением через объектив с фокусным расстоянием примерно 32 мм и относительным отверстием.

Разрабатываются линейки ПЗС, имеющие встроенные схемы считывания и формирования сигнала. Все анализирующие устройства, за исключением объектива, размещаются в корпусе одной микросхемы. Электронная развертка обеспечивает высокие скорости анализа изображения, недоступные механическим системам, она безынерционна, что позволяет менять скорость считывания и не менять изнашиваемости узлов и элементов.

Пример реализации линейки ПЗС изображен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Структурная схема линейки ПЗС.

Отраженный от объекта передачи свет попадает на фоточувствительные элементы. Накопленные электрические заряды от каждого элемента через канал переноса поступают в аналоговый регистр переноса, имеющий МОП – структуру. Образуемые в этой структуре зарядовые пакеты под действием тактовых импульсов сдвига получают направленное перемещение. Выходное устройство преобразует зарядовые пакеты в электрический сигнал, который в дальнейшем после обработки поступает в линию связи. После окончания цикла развертки N элементов, составляющих одну строку, объект передачи механически перемещается в перпендикулярном направлении на величину, равную размеру растр-элемента. Существенное преимущество такого способа развертки заключается в отсутствии механических узлов, сложных оптических систем, что обеспечивает большую скорость развертки, уменьшенные габариты и простоту.

Линейка ПЗС - это микросхема, на подложке которой сформированы ячейки ПЗС, которые в свою очередь преобразуют энергию света в электрические заряды, называемые пакетами электронов. Величина этого пакета пропорциональна силе отраженного от элемента строки светового потока. Зарядовые пакеты переносятся вдоль линейки ПЗС в выходное устройство, где происходит преобразование пакетов в импульсы видеосигнала.

Принцип работы ячейки ПЗС показан на рисунках 5 – 7.

Каждая ячейка имеет три электрода: на первый и третий подается напряжение смещения, а на второй - напряжение хранения. При подаче напряжения хранения на второй электрод создается электрическое поле и электронно-дырочный переход. При этом все основные носители оттесняются в глубь полупроводника. Около проводника создается обедненный слой, который называется потенциальной ямой. При освещении ячейки светом, отраженного от оригинала, возникают электронно-дырочные пары. При этом электроны притягиваются в потенциальную яму и образуют зарядовый пакет, величина которого зависит от интенсивности светового луча и времени засветки (рисунок 5).

Рисунок 5 – Принцип формирования зарядового пакета.

В следующий момент времени на третий электрод подается напряжение считывания, которое по величине больше напряжения хранения. У этого электрода создается большая потенциальная яма, и барьер между вторым и третьим электродами исчезает. Зарядовый пакет перетекает в более глубокую яму (рисунок 6). Затем напряжение считывания уменьшают до напряжения хранения, а напряжение с электрода 2 снимается. После этого, зарядовый пакет считывается на выход ячейки из-под третьих электродов всех ячеек (рисунок 7).

Напряжение на первом электроде необходимо для создания барьера между соседними ячейками.

Рисунок 6 – Перемещение зарядового пакета.

Рисунок 7 – Сохранение зарядового пакета.