Основные характеристики фпзс.

Прежде чем перейти к описанию типов ФПЗС, используемых в телевизионных сканирующих системах, остановимся на описании основных параметров и характеристик ФПЗС.

Основные характеристики ФПЗС.

Характеристики ФПЗС можно условно разделить на три группы: фотоэлектрические, определяющие эффективность преобразования оптического сигнала в электрический;конструктивныеиэксплуатационные.

Эксплуатационные характеристики обычно включают в себя сведения о режимах работы, электропитания, тактовые диаграммы, рабочие частоты, устойчивость к воздействию внешних факторов (температуры, механические и радиационные воздействия), а также дополнительные указания, например, способы пайки и монтажа в аппаратуре.

Конструктивныехарактеристики включают: формат ФПЗС (сколько фоточувствительных (всего) элементов содержит матрица или линейка ПЗС); размер фоточувствительного элемента, шаг (период) расположения фотоячеек, количество регистров и выходных устройств для считывания, количество матричных и регистровых фаз, а также тип канала переноса, тип фотодетектора (фотодиод или МОП-емкость) и т.п.

На фотоэлектрических характеристиках остановимся более подробно.

Свет-сигнальная характеристикасвязывает величину выходного сигнала в Вольтах с освещенностью ФПЗС. Типичная свет-сигнальная характеристика показана на рисунке.

Необходимо обратить внимание на линейность свето-сигнальной характеристики в широком диапазоне освещенности (E_min–E'_max). Лучшие ФПЗС имеют характеристику линейную при изменении облученности в 10 тыс. раз и даже лучше. Отклонение этой характеристики от прямой линии называютнелинейностью светосигнальной характеристики. При этом речь идет о рабочем участке (E_min–E'_max). У хороших ПЗС нелинейность составляет около 0,001.

Наклон свет-сигнальной характеристики характеризует чувствительность (S) ФПЗС. Чем больше наклон, тем выше чувствительность.

или в зависимости от длины волны излучения

где: ΔU- изменение сигнала в Вольтах;

Е - освещенность в люксах (лк) или Вт/м²;

Е(λ) – спектральная плотность освещенности.

Интегральная вольтовая чувствительность измеряется либо в [В/лкּс] (световая экспозиция), либо в [В/Дж] (энергетическая экспозиция).

Конкретное значение интегральной чувствительности определяется конструктивно-технологическими факторами; эффективностью ввода оптического сигнала емкостью узла считывания и т.п.

В разных участках ФПЗС при одной и той же освещенности выходной сигнал может несколько отличаться, т.к. немного отличаются толщина электродов, концентрация примеси и т.п. Поэтому, для характеристики ФПЗС используют еще один параметр неоднородность чувствительностиили выходного сигнала. Эту величину обычно измеряют в относительных (нормированных к максимуму сигнала) величинах и она может составлять в зависимости от типа ФПЗС от 2 до 10%. За максимальный сигнал обычно принимают величину сигнала при такой большой освещенности, что светосигнальная характеристика перестает вести себя линейно и плавно загибается и выходит на "полочку". Этому моменту соответствует полное заполнение потенциальной ямы зарядом. Поэтому, этот максимальный сигнал называют сигналом насыщения и измеряют его либо в Вольтах, либо непосредственно в максимальном количестве электронов, помещающихся в потенциальную яму. При дальнейшем увеличении освещенности наступает растекание зарядов в стороны из потенциальной ямы. Это явление называетсяблюминг.Для его предотвращения или уменьшения его влияния в конструкцию ФПЗС (ячеек ФПЗС) вводят устройства, которые называютсяантиблюминг, позволяющие тем или иным способом сбросить избыточные заряды из потенциальной ямы в подложку без растекания в соседние ячейки. Антиблюминг характеризуется коэффициентом пересветки (относительноE_max), при которой еще не происходит блюминга. Этот коэффициент может составлять 10 – 1000 в зависимости от конкретной конструкции.

Нижняя часть свет-сигнальной характеристики дает представление о работе ФПЗС в пороговой области, т.е. при предельно низких значениях освещенности. Если ФПЗС полностью изолировать от света, то на выходе прибора все равно будет наблюдаться сигнал – темновой сигнал, характеризуемый напряжением темнового сигнала(U_Т) инеравномерностьюнапряжения темнового сигнала (Δ U_Т). Темновой сигнал образуется шумами ФПЗС – детерминированными и флуктационными.Шум термогенерации обусловлен флуктуацией темнового зарядового пакета, вызванного термогенерацией и определяется плоскостью темнового тока j_Т, площадью элемента А_Эи временем накопления Т_Н.

Среднее число "темновых электронов" N_Тв каждом элементе и шум темнового сигнала σ_Тсоответственно равны

,

где Т_Ни Т_С– время накопления и время считывания соответственно.

Температурная зависимость темнового тока описывается выражением

,

где j_Т (Т₀) – темновой ток при температуре Т_{0 ,} а ΔТ₂≈ 7˚С температура удвоения темнового тока.

Шум объемных ловушекобъемноканального ФПЗС при m передачах зарядового пакета составит

где N_V– плотность объемных ловушек;

V – объем занимаемый, сигнальным зарядом.

Шум, связанный с неэффективностью переноса заряда (ε)

Шум выходного устройствас одним каскадом описывается выражением

,

где С_в– емкость выходного устройства;

Δf_n– полоса частот предусилителя;

Ε²_n1– шум входа транзистора.

Первый член под радикалом самый весомый и определяет так называемый "КТС" – шум, который является коррелированным и может быть устранен при помощи метода "двойной коррелированной выборки" (ДКВ). Этот метод используется практически во всех устройствах на ПЗС. Таким образом, при использовании ДКВ первым членом можно пренебречь.

Суммарный темновой шумσ₀ФПЗС составляет

У современных ФПЗС с оптимизированной конструкцией и технологией изготовления шумы, приведенные к зарядам ячейки очень малы и составляют величины 15 – 45 электронов.

Для ПЗС с охлаждением и на низких частотах эти значения еще меньше и достигают величин в 3 – 10 электронов.

Отношение максимального сигнала (зарядового пакета) к шуму (шумовых электронов) обычно называют динамическим диапазоном ПЗС и измеряют либо в разах, либо в децибелах, имея в виду, что

, где К =N_max/σ₀.

Очень важной характеристикой дополняющей интегральную чувствительность является спектральная чувствительность, характеризующая изменение чувствительности при облучении ФПЗС излучением различной длины волны. Вид спектральной характеристики зависит от конструкции фотоприемной ячейкиЮ а также технологии изготовления прибора. В основном ФПЗС имеют максимум чувствительности в районе 0,6-0,8 микрон.На рисунке показана спектральная характеристика ФПЗС фирмыSonyиKodak.

Н

Слева спектральная характеристика ФПЗС KLI5001 фирмы KODAK

Внизу относительная спектральная характеристика линейки ПЗС ILX514 фирмы SONY

а практике широко применяется понятиеквантовой эффективностиФПЗС, которое представляет собой отношение количества накопленных электронов к количеству упавших за время накопления на поверхность ячейки ПЗС фотонов. Квантовая эффективность также зависит от длины волны.

На рисунке справа приведены спектральные зависимости квантовой эффективности для нескольких типов ФПЗС.