Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

тому, как это происходило в фотодиодах. Электроны движутся в область коллектора. Дырки, фотоrенерированные в базе, и те, которые приходят в базу из коллеfтора, понижают потенциаль­ ный барьер на эмиттерном переходе, что вызывает дополнитель­

ную инжекцию электронов в базу. С увеличением интенсивнос­

ти светового потока Ф рас;тет число генерированных фотоносите­ лей и, соответственно, увеличивается коллекторный ток, что

хорошо видно из выходных БАХ биполярного фототранзистора (рис. 16.25, в). Общий коллекторный ток

(16.9)

где Iкэо - ток в коллектор-эмиттерной цепи при Ф =О, h21э - коэффициент передачи в схеме с ОЭ (см. п. 4.4).

Поскольку h21э = \3 » 1, эффективный квантовый выход фо­ тотранзистора в (1 + h 213) раз больше квантового выхода фото­

диода (обычно на 1 ... 2 порядка), роль которого в фототранзис­

торе выполняет переход база-коллектор. Если в ц~ци базы

протекает ток от внешнего источника (на базу подано смеще­

ние), этот ток добавляется к току JФ и общий коллекторный ток

возрас'J'ает. Биполярные фототранзисторы совмещаются с дру­ гими интегральными приборами. Это можно ярко проиллюст­

рировать на примере составного транзистора, устройство и схе­

ма которого представлены соответственно на рис. 16.26, а, б, где 1 - антиотражающее покрытие, 2 - защитный окисел, 3 - металлический контакт, 4 - Si02 • Транзистор VT1 функциони­ рует как обычный биполярный фототранзистор. Ток инжекции

транзистора VT 1 является одновременно входным током тран­

зистора VT2 , что значительно повышает общий коэффициент

к

б) э

Рис. 16.26

Чувствительность фототиристоров не хуже, чем у составных биполярных фототранзисторов, а быстродействие фототиристо­

ров (l0-5 ••• 3 • l0-5 с) даже несколько лучше.

Полевые фототранзисторы. Структура кремниевого МДП-тран­

зистора представлена на рис. 16.27, в, где И - исток; С - сток; П - подложка; 3 - затвор. Излучение через полупрозрачный электрод затвора проникает в область канала и подложки р-ти­

па. Генерированные носители разделяются электрическим по­

лем канала: электроны поступают в канал, увеличивая его про­

водимость, а дырки вытесняются в подложку. Увеличение про­ водимости канала под действием света приводит к изменению

порогового напряжения на затворе и крутизны характеристи­

ки. Выходной сигнал, снимаемый с резистора, включенного в

цепь стока, пропорционален фототоку в процессе облучения. Если МДП-фототранзистор работает в ИК диапазоне, то обыч­

но используется эффект не собственного, а примесного поглоще­ ния. В этом случае р-подложка легируется индием и бором. Бор

дает мелкий аJ<цепторный уровень, т. е. уровень, расположенный

близко к границе валентной зоны, а индий образует глубокий ак­ цепторный уровень, расположенный выше границы валентной

зоны на 0,16 эВ. Если положительный потенциал на затворе (см. рис. 16.27, в) больше порогового, то происходит образование ка­ нала. Все примесные центры (уровни) захвачены дырками и нейтральны. Под действием ИК излучения с энергией фотонов,

достаточной для ионизации атомов индия, дырки переходят в валентную зону и образуются отрицательные ионы акцепторов (в основном в поверхностном слое, т. е. недалеко от границы ка­ нала в обедненной области). Суммарная плотность отрицатель­

ного объемного заряда в обедненной области увеличивается, из­

меняется ширина перехода на границе канала и подложки, что,

всвою очередь, модулирует проводимость канала и изменяет

ток стока. Эти изменения пропорциональны величине светового

потока и, соответственно, фототоку. При использовании вместо

индия других примесных атомов можно изменять спектраль­

ную характеристику прибора, получая максимум чувствитель­ ности в требуемом спектральном диапазоне.

Достаточно распространен вариант полевого МДП-транзис­ тора, состоящего из р-п-перехода истоковой области и МДП­ транзистора. Характерным конструктивным отличием прибо­ ра этой модификации от обычного МДП-транзистора является

других сферах, где используется видеотехника. Появление ми­ ниатюрных телекамер с применением пзс,матриц с ра;змера­

ми пиксела порядка нескольких мкм позволило использовать их

в микрохирургии, микробиологии, микровидеоптике. ПЗС при­

меняются в устройствах специального назначения, в космиче­ ской технике и других отраслях науки и промышленности.

Основные физические процессы в фото-ПЗС, во многом их

устройство и особенности переноса информации не сильно отли­ чаются от обычных ПЗС, рассмотренных в гл. 10, поэтому здесь будут отмечены некоторые функциональные особенности и спе­ цифические параметры и характеристики фото-ПЗС.

Формирователи сигналов изображений на ПЗС по сравнению

сЭЛТ различного устройства характеризуются конструктивной

итехнологической простотой, малыми габаритными размерами

имассой, большой долговечностью и надежностью и малой по­ требляемой мощностью. Конструктивно-технологическое ин­ тегрирование функций фоточувствительных и сканирующих ;элементов в одном приборе, обусловленное самосканированJ{ем, осуществляемым в ПЗС за счет передачи зарядовых пакетов на выход формирователя сигналов изображе:ний, является весьма

перспективным для созда:ния полностью твердотельных форми­

рователей сигналов изображения.

ПЗС-элементы в формирователе сигналов изображений, как

иобычные ПЗС (гл. 10), работают в трех режимах: восприятие (интегрирование) изображения, когда происходит преобразование

светового потока в зарядовые пакеты (в обычных ПЗС преобра­ зуются электрические сигналы в заряды); хранение зарядовых

пакетов; передача (сканирование-считывание) зарядовых пакетов

на выход устройства.

Врежиме восприятия изображений световой поток, отра­

женный от объекта, поступает на поверхность ПЗС и вызывает

генерацию электронно-дырочных пар в полупроводниковой по­

дложке. в потенциальных ямах nзс носители разделяются, в

результате чего накапливается пространственно распределен­

ная структура зарядовых пакетов, соответствующая восприни­

маемому образу объекта. '

Широкое распространение получили две разновидности фор­

мирователей сигналов изображений на ПЗС: линейные (строч­ ные), регистрирующие за период интегрирования одну линию

изображения, и матричные (плоскостные), в которых записывает­ ся весь образ сразу. При этом в обоих случаях используются ли-

информации. К недостаткам этого способа относятся: малый ди­

намический диапазон из-за малости тока сигнала, сравнимого с

паразитными токами; необходимость иметь чувствительные по­ роговые схемы на выходе; относительно большое время считыва­

ния (несколько мкс), что обусловлено временем рекомбинации

и н ж е к т и р о в а н н ы х из светочувствительного элемента ды­

рок с электронами подложки; для управления покоординатной выборкой необходимость использования мощных сдвиговых ре­

гистров, занимающих большую площадь кристалла; меньшая,

чем в обычных П3С, степень интеграции из-за большого количе­

ства пересекающихся шин и больш:Их размеров кристалла.

Совершенствование технологии изготовления позволяет су­

щественно улучшить параметры таких П3С.

Структура пиксела П3С-матриц, применяемых в цветном те­ леви:дении, отличается от структуры пиксела черно-белых мат­

риц. Пиксел цветной матрицы состоит и:з комбинации трех пик­

селов, каждый из которых с помощью соответствующего фильт­

ра регистрирует свет либо в красной, либо в зеленой, либо в голубой части оптического спектра. Таким образом, с каждого

элемента цветной П3С-матрицы снимаете.я три сигнала.

П3С в качестве приемников изображения изготавливают с по­

лихромными электродами, получаемыми осаждением кремния из

газовой фазы. После легирования бором или фосфором его можно использовать в качестве проводящего слоя. Термическое же окис­ ление поликремния позволяет получить качественный межфаз­ ный диэлектрик, а его прозрачность облегчает использование П3С в качестве приемников изображения. Применение этой техноло­

гии позволяет осуществлять прием света не со стороны электро­

дов, а с противоположной стороны, что приводит к ряду преиму­

ществ, поскольку, в частности, уменьшаются потери из-за погло­

щения и отражения света электродами и межсоединениями.

Основными специфическими параметрами и характеристи­

ками П3С как приемников изображения, помимо характерис­ тик обычных П3С, являются:

-светочувствительность;

-пороговая светочувствительность;

-область спектральной чувствительности;

-разрешающая способность;

-время интегрирования;

-частотно-контрастная и светосигнальная характеристики;

-динамический диапазон.

Рассмотрим коротко некоторые из перечисленных парамет­

ров и характеристик.

Одним из основных факторов, определяющих светочувстви­

тельность (фоточувствительность), является коэффициент поглоще­ ния а (см. п. 17.1). Коэффициент а резко уменьшается при уве­

личении длины волны света Л.. Поэтому область длин волн, в

которой осуществляется эффективное преобразование светового

потока в информационные заряды, называемая областью спект­

ральной чувствительности, ограничена. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и

для кремния она составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница ограничена величиной 0,3-0,4 мкм из-за сильного поглощения

коротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое,

где происходит интенсивная рекомбинация фотогенерируемых но­

сителей заряда. Светочувствительность (чувствительность) тесно

связана с квантовой эффекrивностью, представляющей отношение числа зарегистрированных (принятых) зарядов к числу поступаю­

щих на светочувствительную область П3С фотонов. Квантовая эф­

фективность - это квантовый выход светорегистрирующей час­

ти приемника, умноженный на ~tоэффициент преобразования заряда фотоносителей в зарегистрированный полезный сигнал.

Поскольку коэффициент преобразования заряда меньше едини­

цы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхо­

да, являющегося отношением числа образовавшихся в полупро­

воднике фотоносителей к числу поступающих на полупроводник фотонов. Чувствительность и квантовая эффективность связаны между собой линейной зависимостью. Часто чувствительность

делят на интегральную (суммарную во всем спектральном диапа­

зоне приемника) и монохроматическую, которая измеряется в мА/Вт и характеризуется потоком излучения в спектральной по­

лосе шириной 1 нм.

Пороговая светочувствительность часто определяется как мини­

мальная (пороговая) освещенностью объекта, при которой можно

различить переход от черного к белому, или минимальная (поро­ говая) освещенность матрицы. Минимально возможное значение

освещенности обусловлено темновыми токами в каждом элемен­

те матрицы.

От числа элементов П3С-матрицы напрямую зависит один из

основных параметров приборов изображения - разрешающая спо­

собность, на которую также влияют характеристики электронной схемы обработки сигналов и оптики. Разрешающая способность

определяется как максимальное количество черных и белых по­ лос (т. е. количество переходов от черного к белому, формируе­ мых штриховой мирой с различными пространственными периода­ ми расположения черных и светлых штрихов), которые могут

быть переданы камерой и различимы системой регистрации на

предельно обнаруживаемом контрасте. За единицу измерения

разрешающей способности принимается телевизионная линия (ТВЛ). Разрешение по вертикали у большинства камер ограничи­

вается телевизионным стандартом - 625 строк телевизионной развертки, а по горизонтали камеры имеют разрешение 570 ибо­ лее ТВЛ. Эффективное разрешение цветных камер хуже пример­

но на 30-40%, чем черно-белых, поскольку особенности форми­ рования цветного изображения требуют дополнительных элемен­

тов, что приводит к дополнительным потерям.

Характеристики фотоприемных матриц отражают их функ­ циональные возможности по преобразованию оптической инфор­

мации в электрический видеосигнал. СветОСflГНальная и частот­

но-контрастная характеристики достаточно полно описывают

свойства матричных ПЗС-фотоприемников. Светосигнальная ха­

рактеристика (рис. 16.28, а) связывает выходное напряжение Ивых с входной освещенностью Е, где точка 1 соответствует тем­

новому напряжению Ит на выходе матрицы при Е =О; точка 2 со­

ответствует режиму насыщения, когда потенциальная яма за­

полнена; точка 3 является рабочей точкой.

Напряжение насыщения на выходе матрицы Инас зависит от

г.Лубины потенциальной ямы используемых МДП-структур и

соответствует заполнению ямы зарядами. Дальнейшая фотоге­

нерация носителей (увеличение Е > Ен) не приводит к увеличе­

нию накапливаемого заряда, а следовательно, не приводит и к

возрастанию выходного видеосигнала.

Рис. 16.28