2.4. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи
В настоящее время в телевидении нашли широкое применение твердотельные ФЭП на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Основой ПЗС является конденсатор МОП-структуры (металл – окисел – полупроводник). Одной обкладкой конденсатора является металлический электрод, а второй – полупроводник. Диэлектриком между этими обкладками служит тонкий слой окисла полупроводника (рис. 2.4).
Если между электродом и полупроводниковой подложкой, например р-типа, приложено напряжение +U, то в результате действия электрического поля дырки (основные носители) полупроводника, находящиеся под электродом, отойдут в толщину слоя полупроводника. При этом под электродом образуется область, обедненная основными носителями, – потенциальная яма. Изменяя величину напряжения +U можно управлять глубиной потенциальной ямы.
Рис. 2.4. Конденсатор МОП-структуры: 1 – полупроводниковая подложка (р-проводимости); 2 – окисел; 3 – металлический электрод; 4 – неосновные носители; 5 – обедненная область; 6 – основные носители
В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей электронов, которые могут образовываться как за счет полезного эффекта (например, фотоэмиссии), так и за счет термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – это процесс генерирования неосновных носителей, обусловленных температурой, под которой находится полупроводник. Накопление термогенерированных носителей является паразитным процессом. Если ввести ограничение на максимальное значение заряда термоэлектронной эмиссии, то тем самым можно определить и максимальное время, отводимое для накопления и хранения полезного заряда.
Рассмотрим принцип организации ПЗС-линеек. ПЗС-линейка – это устройство для хранения и передвижения зарядовых пакетов вдоль нее. Линейка состоит из последовательно расположенных электродов на общей подложке (рис. 2.5).
Расстояние между электродами настолько мало, что обедненная область под одним электродом практически простирается до соседних электродов. Поэтому если под одним из n-х электродов, к которому приложен потенциал +U, будет накоплен заряд, образованный, например, фотоэлектронной эмиссий, то передвинуть его в соседнюю n + 1 ячейку можно, если потенциальную яму n + 1 ячейки сделать глубже, чем у n-й ячейки. Вслед за этим потенциал n-й ячейки уменьшают до значения близкого к нулевому, а потенциал n + 1 ячейки делают таким же, какой был раньше у n-й ячейки +U. Зарядовые пакеты изначально вводятся в линейку через два электрода. Это обеспечивает их сохранность при передвижении вдоль линейки, что следует из рассмотрения динамики перемещения зарядов (рис. 2.6).
Рис. 2.5. Линейка из МОП-кондесаторов: 1 – зарядовые пакеты; 2 – электроды
Передвижение зарядовых пакетов обеспечивается циклическим изменением потенциалов электродов. Проследить за передвижением пакетов при изменении потенциалов на управляющих шинах можно по рис. 2.6.
В настоящее время преобразователи свет-сигнал на базе ПЗС находят широкое применение в технике телевидения. Рассмотрим некоторые из них.
Устройство линейного преобразователя приведено на рис. 2.7.
В секции накопления 1 светочувствительные элементы накапливают зарядовые пакеты за время активной части строки. Затем накопление прерывается, и с помощью механического или электрического затвора 2, зарядовые пакеты вводятся параллельно в секцию переноса 3 за время обратного хода развертки по строке. После закрытия затвора вновь происходит накопление зарядов в секции 1, а из секции 3 зарядовые пакеты через устройство считывания 4 выводятся из преобразователя.
Рис. 2.6. Перемещение зарядовых пакетов в ПЗС-линейке: а – линейка; б – эпюры напряжений на управляющих шинах, обеспечивающих перемещение зарядов; U1 – напряжение на первой шине; U2 – на второй; U3 – на третьей шине; а, б, с – уровни напряжений
Широкое распространение в телевидении получили матричные ФЭП. Такие преобразователи бывают двух видов: преобразователи с покадровым переносом зарядов и преобразователи с межстрочным переносом (рис. 2.8).
б
а
В преобразователях с покадровым переносом (рис. 2.8, а) поверхность экрана преобразователя образована секцией накопления 1, накопление зарядовых пакетов осуществляется в светочувствительных ячейках этой секции. Во время прямого хода развертки по кадру. После завершения накопления в течение короткого промежутка времени (обратный ход по кадру) через открывшийся затвор переноса кадра 2 зарядовые пакеты переносятся в секцию хранения 3. Секция хранения защищена от света и имеет такую же структуру, как и секция накопления. Во время прямого хода кадровой развертки режим накопления в секции 1 возобновляется. В это же время информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда – сдвиговый регистр 5. Сдвиг в секцию переноса осуществляется во время обратного хода развертки по строкам через затвор переноса 4. Зарядовые пакеты из секции переноса выводятся поэлементно в устройство считывания зарядов 6 за время прямого хода строчной развертки.
Рис. 2.7. Линейный преобразователь на ПЗС: 1 – секция накопления; 2 – затвор переноса; 3 – секция переноса; 4 – устройство считывания зарядов
Рис. 2.8. Матричный преобразователь на ПЗС: а – с покадровым переносом зарядов; б – межстрочным переносом зарядов; 1 – секции накопления; 2, 4 – затворы переноса; 3 – секции хранения; 5 – секции переноса; 6 – устройства считывания зарядов
Аналогично происходит накопление и считывание зарядов в матричных преобразователях с межстрочным переносом (рис. 2.8, б). В этих преобразователях столбцы 1, в которых происходит накопление зарядов, располагаются рядом со столбцами хранения 3. Переносом зарядов из столбцов накопления в столбцы хранения управляют затворы переноса по кадру 2. Считывание из столбцов хранения в секцию переноса 5 осуществляется через затвор переноса строки 4.
В настоящее время промышленностью выпускаются ФЭП на ПЗС для видимой, инфракрасной и других частей спектра электромагнитного излучения. ФЭП на ПЗС обладают большой разрешающей способностью, малой инерционностью и высокой чувствительностью.